DE2349352B2

DE2349352B2 - Verfahren zum betrieb eines elektronenstrahlerzeugers

Info

Publication number: DE2349352B2
Application number: DE19732349352
Authority: DE
Inventors: Karel Diedenck van der Barth James Edmond Delft Mast (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-10-03
Filing date: 1973-10-02
Publication date: 1977-07-21
Also published as: DE2349352A1; CA992670A; BE805539A; SE384759B; FR2201540B1; DE2349352C3; GB1440776A; US3864572A; FR2201540A1; JPS5241137B2; JPS4993798A; IT994357B; NL7213355A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Elekironenstrahlerzeugers mit einer Kathodenspitze, die sich am freien Ende eines Kathodendrahts befindet und im Betrieb durch einen Hilfsstrahl erhitzt wird, mit einer Vorschubeinrichtung für den Kathodendraht und mit einer der Kathodenspitze gegenüberliegenden, mi; einer Bohrung versehenen Elektrode, an die ein gegenüber der Kathodenspitze positives Potential angelegt wird.

Ein solches Verfahren ist z.B. aus der DT-PS 10 28 244 bekannt Die Kathode des Elektronenstrahlerzeugers besteht dabei aus einem Wolframdraht mit einem Durchmesser von 100 bis 200/tm, dessen Ende von einem lonenbündel geheizt wird. Das Ionenbündel wird durch ein elektrisches Feld auf die Drahtspitze gelenkt Die maximale thermische Elektronenemission, die eine derartige Kathode liefern kann, wird vom Werkstoff, von der Geometrie und von der Temperatur der Drahtspitze bestimmt. Die Einstellung dieser Kathode auf eine hohe Emissronsstromdichte führt zu einer hohen Temperatur, die eine verhältnismäßig große Verdampfung der Kathodenspitze auslöst Der Kathodendraht muß deshalb jeweils nach einer gewissen Brenndauer vorgeschoben werden. Der verdampfte Werkstoff wird jedoch das Innere des Gerätes stark verschmutzen und durch die intermittierende Methode des Drahtvorschubs treten Schwankungen im EmissionsstroTi auf.

Es sei noch bemerkt daß es aus der US-PS 33 88 280 bekannt ist die Kathode eines Elektronenstrahlgerätes durch einen Laser zu heizen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahi en zum Betrieb eines Elektronenstrahlerzeugers der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem insbesondere Schwankungen des Emissionsstromes und eine starke Verschmutzung des Gerätes vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet is». da8 ein Kathodendraht von höchstens 50/im Durchmesser verwendet wird, daß an der Kathodenspitze eine elektrische Feldstärke von 10⁵ bis 106 kV/m erzeugt wird und daß der Vorschub des Kathodendrahtes in Abhängigkeit von der Energiezufuhr des Hilfsstrahls auf die Kathodenspitze so gesteuert wird, daß ?n der Kathodenspitze ein Krümmungsradius von 0,2 bis 2μπι aufrechterhalten wird.

Fin solcher Krümmungsradius ist bedeutend größer als bei Feldemissionsquellen, wodurch der Verlust an wirksamer Heüigkoit durch unvermeidlich auftretende Linsenfehler in dem elektronenoptischen Gerät, in dem der erfindungsgemäß betriebene Elektronenstrahlerzeuger eingesetzt wird, stark verringert wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wiM ais Hilfsstrahl der Strahl eines kontinuierlich arbeitenden Lasers verwendet, dessen Intensität durch ein vom Strahlstrom des Elektronenstrahlerzeugers hergeleitetes Signal moduliert wird. Das die Strahlintensität des Hilfsstrahls steuernde Signal kann dabei durch eine senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung des Hilfsstrahls bewegbare AblangDiende gesieucri weiden.

Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Elektronenjtrahlerzeugers der beschriebenen Art, bei dem der Kathodendraht in der Vorschubeinrichtung durch zwei Klemmen gehalten wird, deren Klemmflächen in Ebenen liegen, die sich nahezu senkrecht in einer mit der optischen Achse des Elektronenstrahlerzeugers zusammenfallenden Geraden schneiden, bei dem die Klemmen der Vorschubeinrichtung alternierend geöffnet und geschlossen werden und bei dem die der Kathodenspitze nächstliegende Klemme der Vorschubeinrichtung eine oszillierende Bewegung in Drahtrichtung ausführt, wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung

die Verschiebung des Kathodendrahtes durch ein vom Emissionsstrom der Kathodenspitze hergeleitetes Signal gesteuert Die Drahtspitze bleibt dabei gegenüber einer zum Durchlassen eines Strahlstromes durchbohrten Elektrode mit einem in bezug auf die Drahtspitze positiven Potential angeordnet. Durch geeignete Wahl des Drahtdurchmessers und die Art der Heizung der Kathodenspitze bleibt die Verdampfung des Drahtes innerhalb zulässiger Grenzen.

Die Erfindung betrifft weiter einen Elektronenstrahlerzeuger zur Durchführung des erläuterten Verfahrens, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Vorschubeinrichtung elektrisch leitende Drähte enthält, die durch mit elektrischen Stromimpulsen erzeugte thermische Längenänderungen die Klemmen betätigen. Die Vorschubeinrichtung kann dabei eine Vorrichtung _-. .*eisen, die das gleichzeitige öffnen der Kitmmen verhindert und die beim Einschieben eines neuen Kathodendrahtes außer Betrieb gesei~t werden kann.

Die sehr hohe Stromdichte be= de.» erfindungsgemä-Ben Verfahren ist dadurch möfc. _h. daß den Bedingungen für die sogenannte Temperaturfeldemission, die durch den Schottky-Effekt ausgelöst wird, entsprochen ist Durch diesen Effekt, der bei einer ausreichend hohen Feldstärke an der Oberfläche und einer ausreichend hohen Kathodentemperatur auftritt brauchen die Elektronen weder das gesamte Austrittspotential zu überwinden, wie es bei der Wärmeemission erforderlich ist, noch die Potentialsperre zu durchbrechen, wie dies bei der Feldemission erforderlich ist. Das zu überwindende Austrittspotential wird durch das angelegte elektrische Feld stark herabgesetzt so daß bei gleicher Temperatur die Emission pro Oberflächeneinheit wesent!it.h höher sein kann. Bei einer gerade unter dem Schmelzpunkt des Kathodenwerkstoffes liegenden Temperatur ergibt sich noch die überraschende und vorteilhafte Nebenwirkung, daß die Elektronenemission völlig unabhängig von der Kristallrichtung ist. Da bei einer niedrigeren Temperatur die Emissionsdichte in Drahtrichtung bedeutend niedriger ist als senkrecht zu ihr, wird dadurch ein wesentlich höherer Strahlstrom erreicht. Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig.! ein entsprechend dem Verfahren nach der Erfindung betriebener Elektronenstrahlerzeuger in einem Abtastelektronenrnikroskop,

F i g. 2 ein gemäß dem Verfahren nach der Erfindung betriebener Elektronenstrahlerzeuger mit einem Laser als Hilfsstrahlquelle,und

Fig.3 eine Vorschubeinrichtung für den Kathodendraht in einem Elektronenstrahlerzeuger nach F i g. 1 oder 2.

Das in F i g. 1 skizzenhaft dargestelle Abtastelektronenrnikroskop enthält einen in einem Halter 1 montierten Kaihodendraru 2, eine ei sie Λ nude 3 und eine zweite Anode 4. Vom Kathodendraht 2 wird ein freies Ende oder die Spitze 5 durch ein Strahlenbündel 6 aufgeheizt, das in einer Hilfsstrahlquelle 8 erzeugt wird. Die Hilfstrahlquelle ist in diesem Ausführungsbeispiel als Laser ausgeführt, von dem ein Strahlenbündel im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Wellenlängenbereich über ein der Wellenlänge der Strahlung angepaßtes, nichtgezeichnetes Fenster und eine Off nung 9 in der ersten Anode 3 auf die Kathodenspitze "> auftrifft. Durch die Bohrungen !0 und ! 1 in der ersten Anode 3 bzw. der zweiten Anode 4 wird aus dem Gesamtemissionsstrom der Kathodenspitze 5 ein im Abtastelektronenmikroskop zu verwendender Strahlenstrom abgetrennt Über eine weitere nichtgezeichnete Öffnung und ein nichtgezeichnetes Fenster, das vorzugsweise seitlich des Laserstrahls angeordnet ist, kann die Kaihodenspitze beobachtet werden. Mit einem Regelmechanismus 12 wird der der Kathodenspitze zuzuführende Energiestrom gesteuert.

Vom Abtastelektronenmikroskop sind weiter eine Kondensorlinse 14, eine Ablenkeinheit 15, ein Objektiv

ίο 16, ein Objekt oder Präparat 17 und die Detektoren 18 und 19 dargestellt. Ein von einem der Detektoren empfangenes Signal wird über einen Signalverstärker 20 an einem mit der Ablenkeinheit 15 gekoppeltes Fernsehmonitor 21 wiedergegeben.

Im Betrieb führt die erste Anode, zum Erfüllen der Bedingungen für Temperaturfeldemission, ein Potential von z. B. einigen tausend Volt in bezug auf die Kathodenspitze. Die zweite Anode liegt dabei auf einem in bezug auf die Kathodenspitze positiven Potential von mehreren tausend VqIl Selbstverständlich sind diese Potentialwene auch von der Geometrie der beiden Anoden, von Ίεη Abmessungen der Bohrungen in den Anoden, vom gegenseitigen Abstand '.r Anoden und von deren Abstand zur Kathodenspitze abhängig.

Wie bereits oben bemerkt, muß für die gewünschte Emissionsform eine Feldstärke von ungefähr IO⁵ bis K^kV/m an der Oberfläche der Kathodenspitze erzeugt we· den.

Fig.2 zeigt skizzenhaft eine Anordnung zum Einstellen des Kathodendrahtes auf die gewünschten Emissionseigenschaften. Ein aus einem kontinuierlich strahlenden Laser 31 stammender Strahl mit einer Energie von z. B. etwa 5 Watt wird mit einer Linse oder mit einem Linsensystem 32 an der Stelle der Kathodenspitze 5 zu einem Brennfleck mit äußerst geringer, nur durch Beugungserscheinungen der kohärenten Laserstrahlung bestimmten Querabmessung fokussiert.
Der Kathodendraht 2 wird von einer Vorschubeinrichtung festgehalten, die in deT Halter 1 aufgenommen ist und die in F i g. 3 dargestellt ist. Die Vorschubeinrichtung dient dazu, die Drahtspitze 5 der Drahtkathode 2 während des Betriebs des Elektronenstrahlgerätes genau an einer festen Stelle zu halten und durch Zufuhr von Kathodenwerkstoff dessen Verdampfung auszugleichen. Die erste Anode 3 ist dazu mit einer Gleichspannungsversorgungseinheit 33 verbunden. Durch den Emissicnsstrom entsteht an einem Widerstand 34 ein Spannungsunterschied, der mit Hilfe eines Gleichspannungsverstärkers 35 mit einer aus einer Versorgungseinheit 36 herrührenden Spannung verglichen wird. Ein auf diese Weise gewonnenes Differenzsignal wird in einem Integrator 37 integriert und treibt über einen Stromverstärker 38 einen Transportmechanismus der Vorschubeinrichtung 8". Mit diesem Transporimechanismus kaiin der Ka*hr»Hi»nrfraht 2 langsam, z. B. um einige μπι pro Minute, in Drahtrichtung vorgeschoben werden. Die Kathodenspitze 5 ragt dabei mehr oder veniger in das Laserbündel, wodurch seine Energiezufuhr geregelt wird. Durch diesen ' instt'iiinechanismus werden eventuell auf' !ende langsame .Schwankungen in ' r '.aserintensitä·. odf r in de" Geometrie c¹ K Mhodensptt/e, /L 'urch Werkstoff verdampfur *.■ -_:;igv >;''> < :^h-er·

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Kondensator 41 steuert dieses Signal einen elektrodynamischen Umformer 12, der die Stellung einer im Laserstrahl liegenden Abfangblende 43 einstellt Mit dieser Abfangblende kann ein Teil des Läserstrahls abgefangen werden, wodurch die der Kathodenspitze zugeführte Energie abnimmt. Der Läserstrahl kann dabei einseitig, an mehreren Seiten oder ringsherum eingeschnürt werden.

In der Fig.3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorschubeinrichtung wiedergegeben.' Ein vorgestreckter Wolframdraht 2 wird von den Klemmbacken 50 und 51 festgehalten. Ein federndes Befestigungselement 52 für die Klemmbacke 51 liefert dazu eine Klemmkraft Die Klemmbacken 50 und 51, das federnde Befestigungs-Element 52 und eine Platte 53 bilden zusammen einen Greifer, der sich durch ein paralleles Federnsystem mit den Federn 54, 55, 56 und 57 nur in einer Richtung, und zwar entlang der Achse des Elekironenstrahlerzeugungssystems bewegen kann. Ein Draht 58 zieht die Platte 53 zu einer Montageplatte 59 hin. Durch thermisch Längenänderung des Drahtes 58 verlagert sich die Platte 53 und der Kathodendraht 2 wird vorgeschoben. Während dieser Bewegung ist ein zweites Klemmbackenpaar 59, 60 geöffnet Sobald ein Hubende der Platte 53 erreicht worden ist se' ^<:eßen sich die Klemmbacken 59 und 60 um den Kathodendraht öffnen sich die Klemmbacken 50 und 51 und die Platte kehrt in ihre Anfangsstellung zurück, so daß der beschriebene Vorgang sich wiederholen kann. Eine nicht dargestellte Kupplung zwischen den Klemmbakken kann verhindern, daß die beiden Klemmbackenpaare gleichzeitig geöffnet sind. Zum Einführen eines neuen Kathodendrahtes kann diese Kupplung außer Betrieb gesetzt werden.

Während des Betriebes wird der Draht 58 durch einen Heizstrom aufgeheizt der vom Stromverstärker 38 geliefert wird (siehe weiter F i g. 2). Da die Klemmflächen der Klemmbacken 50, 51 und 59, 80 senkrecht zueinander angeordnet sind, wird nach wiederholtem Übergreifen ein neu eingesetzter Kathodendraht 2 entlang der Schnittlinie der beiden Klemmflächen fixiert Hierdurch reproduziert dieser Mechanismus selbsttätig äußerst genau den Ort der Drahtachse. Das Öffnen und Schließen der Klemmbacken 50,51 und 59, 60 zum Vorschieben des Kathodendrahtes wird durch Stromsteuerung, also durch thermische Längenäride-

s rung der Drähte 62 und 63, bewirkt

Durch die Verwendung eines dünnen Drahtes und das äußerst genaue ununterbrochene Nachstellen der kathodenspitze tritt insbesondere in Drahtrichtung, eine viel höhere Emissionsstromdichte auf als in den

ro bekannten thermischen Elektronenstrahlerzeugern die-W Art; gleichzeitig' ist der 'Nachteil des, wegen ihrer geringen Abmessungen, zu geringen wirksamen Stromes der Feldemissionsquelle beseitigt Es zeigt sich, daß durch Verdampfung und Oberflächenwanderung am

■5 sich ständig weiterschiebenden Kathodendraht eine Drahtspitze mit einem Krümmungsradius von ungefähr l/rni aufrechterhalten wird. Im kräftigen Feld an der Kathodenspitze kann bedingt durch die hohe Temperatur der Kathodenspitze, die dadurch die gewünschte

Abmessung bekommt der bereits in der Einführung erwähnte Schottky-Effekt oder die sogenannte Temperatur-Feldem<«'on auftreten. Auf diese Weise liefert ein Wolframdraiu nut einem Durchmesser von 10 μτη als Kathodendraht bei einer Temperatur von ungefähr

2s 3500° K aus einer Spitze mit einem Krümmungsradius vcn ungefähr 1 μΐη, die gegenüber einer in bezug auf die Kathodenspitze auf einem Potential von +2000V liegenden Anc^e angeordnet ist eine Emissionsstromdichte in der Größenordnung von !O⁴ A/cm².

In einer Quelle mit einer derartigen hohen Stromdichte bei der gegebenen Querabmessung kann auf einfache Weise ein Elektronenstrahl erzeugt werden, der sich insbesondere als Strahlstrom in einem Abtastelektronenmikroskop eignet in dem Fernsehtechniken zum

Darsteilen der Bildinformation angewandt werden.

Neben dem oben beschriebenen Abtastelektronenmikroskop können z. B. auch ein Transmissionselektronenmikroskop, ein Elektronenstrahlbearbeitungsgerät und ein Mikroanalysator mit Vorteil mit einem erfindungs-

gemäß betriebenen Elektronenstrahlerzeuger ausgerüstet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb eines Elektronen-Strahlerzeugers mit einer Kathodenspitze, die sich am freien Ende eines Kathodendrahts befindet und im Betrieb durch einen Hilfsstrahl erhitzt wird, mit einer Vorschubeinrichtung für den Kathodendraht und mit einer der Kathodenspitze gegenüberliegenden, mit einer Bohrung versehenen Elektrode, an die :o ein gegenüber der Kathodenspitze positives Potential angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kathodendraht von höchstens 50 μίτι Durchmesser verwendet wird, daß an der Kathodenspitze eine elektrische Feldstärke von 10⁵ bis 10⁶ kV/m erzeugt wird und daß der Vorschub des Kathodendrahts in Abhängigkeit von der Energiezufuhr des Hilfsstrahls auf die Kathodenspitze so gesteuert wird, daß an der Kathodenspitze ein Krümmungsradius von 0,2 bis 2 μιη aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsstrahl der Strahl eines kontinuierlich arbeitenden Lasers verwendet wird, dessen Intensität durch ein vom Strahlstrom des Elektronenstrahlerzeugers hergeleitetes Signal moduliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch das die Strahienintensität des Hilfsstrahls steuernde Signal eine senkrecht zur Fortpflanzungsrichtuig des Hilfsstrahls bewegbare Abfangblende gesteuert wird.

4. Verfahren zum Betrieb eines Elektronenstrahlerzeugers nach Anspruch 1, 2 ode· 3, bei dem der Kathodendraht in der Vorschubeinrichtung durch zwei Klemmen gehalten wird, deren Klemmflächen in Ebenen liegen, die sich nahezu senkrecht in einer mit der optischen Achse des Elektronenstrahlerzeugers zusammenfallenden Geraden schneiden, bei dem <i'.s Klemmen der Vorschubeinrichtung alternierend geöffnet und geschlossen werden und bei dem die der Kathodenspitze nächstliegende Klemme der Vorschubeinrichtung eine oszillierende Bewegung in Drahtrichtung ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des Kathodendrahts durch ein vom Emmissionsstrom der Kathodenspitze hergeleitetes Signal gesteuert wird.

5. Elektronenstrahlerzeuger zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubeinrichtung elektrisch leitende Drähte enthält, die durch mit elektrischen Stromimpulsen erzeugte thermische Längenänderungen die Klemmen betätigen.

G. E!ekiror.cr,ctrsh!sr:suger nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubeinrichtung eine Von ichtung aufweist, die das gleichzeitige öffnen der Klemmen verhindert, und daß diese Vorrichtung beim Einschieben eines neuen Kathodendrahts außer Betrieb gesetzt werden kann.