DE2366144C2

DE2366144C2 - Verfahren und Anordnung zum Bilden einer Öffnung für den Durchtritt des Elektronenstrahls in einer zwischen zwei Kammern angeordneten dichtenden Membran einer evakuierten Elektronenstrahlröhre und Anwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2366144C2
Application number: DE2366144A
Authority: DE
Inventors: Thomspon Arthur Beaverton Oreg. Baker; Melvin Marquardt Balsinger; Kevin Thomas Considine; Herbert Emil Portland Oreg. Litsjo
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1972-08-17
Filing date: 1973-08-16
Publication date: 1982-12-30
Also published as: GB1433945A; JPS5661960U; DE2341377A1; CA1031080A; US3809899A; NL7311344A; GB1433944A; FR2199613B1; JPS54161263A; JPS557661B2; FR2199613A1; JPS49132975A; NL7908479A; FR2214962A1; FR2214962B1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden einer öffnung für den Durchtritt des Elektronenstrahls in einer zwischen zwei Kammern angeordneten dichtenden Membran einer evakuierten Elektronenstrahlröhre, von denen die erste Kammer die Kathode enthält und sich auf einem niedrigeren Druck befindet als die zweite Kammer. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Anwendung des Verfahrens. Ein Verfahren dieser Art ist aus der US-PS 31 74 026 bekannt. Die Membran trennt dabei die Vakuumkammer einer Elektronenstrahlröhre zur Materialbearbeitung von dem sich unter Schutzgas befindlichen Werkstück und wird mit Hilfe des Elektronenstrahls durchbohrt. Dieses Verfahren kann nur bei Elektronenstrahlen relativ hoher Intensität angewandt werden, wie sie in Elektronenstrahlröhren zur Materialbearbeitung vorhanden sind.

Außerdem ist aus der CH-PS 2 46 104 ein Elektronenmikroskop mit einer im Vakuumraum angeordneten fotografischen Kamera bekannt, bei dem der Vakuumraum in zwei auf unterschiedlichen Drücken gehaltene Teilräume aufgeteilt ist, die über eine den Elektronenstrahl durchlassende verschließbare Öffnung in Verbindung stehen. Die Öffnung kann mittels einer Absperrvorrichtung (Hahn o. dgl.) bei Bedarf geschlossen werden.

Der Sinn dieser Anordnung liegt darin, die Kammer, die das fotografische Aufnahmematerial enthält, auf einem geringeren Vakuum halten zu können, als es in der Kammer herrscht, wo der Elektronenstrahl erzeugt wird. Durch das geringere Vakuum wird das Aufnahmematerial weniger stark ausgetrocknet und damit weniger schnell brüchig.

Dadurch, daß bei dem bekannten Elektronenmikroskop eine Absperrvorrichtung benutzt wird, die sowohl ein Öffnen als auch ein Schließen gestattet, ergibt sich zwangsläufig ein verhältnismäßig komplizierter Aufbau. Hinzu kommt, daß derartige Absperrvorrichtungen nicht nur erheblichen Aufwand erfordern, wenn sichergestellt werden soll, daß die zum öffnen und Verschließen benutzte Einrichtung tatsächlich auch dicht ist, sondern es muß auch dafür gesorgt werden, daß eventuell benutzte Dichtungsmanschetten oder Schmiermittel nicht durch Gasabgabe im Vakuum den Betrieb der Elektronenstrahlröhre beeinträchtigen.

Weite· sind bei dem bekannten Elektronenmikroskop die beiden Kammern räumlich nicht voneinander trennbar und es besteht daher zum Beispiel auch nicht die Möglichkeit, durch einfaches Auswechseln jeweils der ganzen Kammer, auf einfache Weise einen Käthe den- oder Probenwechsel durchzuführen. Die die Kathode enthaltende Kammer ohne Schwierigkeiten und Zeitverlust gegen eine andere Kammer auszuwechseln, kann zum Beispiel bei defekter Kathode notwendig sein. Das einfache Auswechseln der die Probe enthaltenden Kammer ermöglicht es, eine große Anzahl von Proben in kurzer Zeit zu untersuchen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß der für die Ausführung des Verfahrens erforderliche Geräteaufwand möglichst klein wird, daß durch diese Geräte keine Vakuumverschlechterung eintritt, und daß es auch bei kleinen Strahlintensitäten anwendbar ist.

Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Spitze eines Stanzkörpers, der mit einer • durchgehenden Bohrung versehen ist, deren Achse senkrecht auf der Ebene der Membran steht, gegen die Membran gedrückt wird und daß der Stanzkörper durch die Membran hindurchgedrückt und in der Membran derart angeordnet und das verschobene Membranmaterial derart versetzt wird, daß der Elektronenstrahl ungehindert durch die Bohrung des Stanzkörpers hindurchtreten kann.

Der Vorteil dieses Verfahrens ist seine Verwirklichung mittels sehr einfacher Geräteanordnungen, die keinerlei Dicht- oder Schmiermittel erfordern, die unter Umständen zu einer Vakuumverschlechterung führen könnten. Außerdem ermöglicht dieses Verfahren die Anwendung einer Anordnung, bei der die die Kathode enthaltende Kammer von der anderen Kammer in sehr einfacher Weise getrennt werden kann, so daß jede der beiden Kammern durch eine andere ihrer Art ersetzt werden kann.

Dies ist dann besonders günstig, wenn das Verfahren bei einer Elektronenstrahlröhre für ein abtastendes Elektronenmikroskop angewendet wird, weil es dadurch möglich wird, eine große Anzahl von Proben innerhalb von kurzer Zeit mit dem Elektronenmikroskop zu untersuchen, während beim Stand der Technik

für jeden Probenwechsel umständliche und zeitraubende Manipulationen erforderlich sind.

Hinzu kommt, daß bei Anwendung einer Feldemissionskathode das für eine derartige Kathode erforderliche hohe Vakuum wesentlich einfacher herstellbar ist, als es beim Stand der Technik der Fall ist

Besonders günstig ist die Durchführung des Verfahrens mit einer Anordnung, bei der eine äußere Einrichtung vorgesehen ist, die mit dem Stanzkörper derart in Verbindung steht, daß dieser axial bewegt und durch du Membran hindurchgedrückt werden kann. Diese äußere Einrichtung kann aus einer Welle und einem in der Nähe des Stanzkörpers angeordneten Nocken bestehen m der Weise, daß die Welle sowohl axial beweglich als auch drehbar ist, um den Nocken in oder außer Eingriff mit dem Stanzkörper zu bringen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die äußere Einrichtung aus einer die Elektronenstrahlröhre schließenden Manschette mit Gewindegängen aufzubauen, die mit Gewindegängen des Stanzkörpers oder einer Halterung für den Stanzkörper in Eingriff stehen, um so den Stanzkörper bei Drehung der Manschette auf die Membran zu und durch diese hindurchzuführen. Bei dieser letztgenannten Ausführungsform wird automatisch mit dem Auswechseln einer der Kammern auch die Öffnung für den Durchtritt des Elektronenstrahls gebildet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

F i g. 1 schematisch einen Längsschnitt durch eine zweikammerige Elektronenstrahlröhre;

Fi g. 2 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch einen Teil der Elektronenstrahlröhre zur Darstellung einer Einrichtung /.ur Verbindung und Trennung der beiden Kammern;

Fig. 2 a perspektivisch einen Ausschnitt aus Fig. 2 zur näheren Erläuterung eines Ausführungsbeispiels einer Anordnurg, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist;

F i g. 3 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch einen Teil einer Elektronenstrahlröhre zur Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt ein abtastendes Elektronenmikroskop, bei dem eine Feldemissionskathode 10 in einer Kammer 12 eines evakuierten rohrförmigen Kolbens 14 angeordnet ist, wobei die Feldemissionskathode beispielsweise durch ein Verfahren aufgebaut wurde, das in der Stammanmeldung P 23 41 377.6-33 im einzelnen beschrieben wird. Der rohrförmige Kolben 14 kann aus Glas, Keramik oder einem ähnlichen Material bestehen, kann aber auch aus Metall gefertigt sein. Die Kathodenkammer 12 wird auf einem hohen Vakuum, d.h. auf einem Druck von 1,3 χ 10-⁶mbar oder darunter, mittels einer Hochvakuumpumpe 16 gehalten, die vorzugsweise innerhalb der Kathodenkammer 12 angeordnet ist. Die Niederspannungswechselstromquelle 18 und die Hochspannungsgleichsiromquelle 20 speisen die Kathode 10 in einer Weise, wie es in der vorgenannten Stammanmeldung erläutert wird.

Eine zweite Kammer 24, die der Probenkammer eines abtastenden Elektronenmikroskops entspricht und sowohl strahlablenkende Elemente als auch einen Probentisch (nicht dargestellt) enthält, wird durch eine Vakuumpumpe 26 auf einem höheren Druck gehalten, der typischerweise 1,3 χ 10~⁵ bis 1,3 χ 10-⁶mbar beträgt. Die Kathodenkammer 12 und die Probenkammer 24 sind durch eine Wand 26a voneinander getrennt, die eine axial mit der Emitterspitze 10a der Kathode 10 ausgerichtete Öffnung 28 aufweist, durch die der von der Kathode 10 emittierte Elektronenstrahl treten kann. Die Größe der Öffnung 28 ist so gewählt, daß die Hochvakuumpumpe 16 den erforderlichen Druck der Kathodenkammer 12 bei der durch die Öffnung 28 gegebenen Undichtigkeit zu dem höheren Druck der zweiten Kammer 24 aufrecht erhalten kann. Typischerweise ist eine Öffnung mit einem Lochdurchmesser von 0,5 mm klein genug, um die Druckdifferenz aufrecht zu erhalten. Eine magnetische Linse 30, die auch durch eine elektrostatische Linse ersetzt sein könnte, fokussiert den Elektronenstrahl auf eiinen sehr kleinen Querschnitt Ein abtastendes Elektronenmikroskop würde naturgemäß noch ein Elektronenstrahlablenksystem und weitere Hilfsmittel erfordern, die in F i g. 1 jedoch nicht dargestellt sind.

Die Kathodenkammer ist so ausgeführt, daß sie von der Probenkammer 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 und eine Elektronenstrahlquelle bildende Kammer von der zugeordneten zweiten Kammer, die die P-obe enthält, entfernt und durch eine neue, vorevakuierte und abgedichtete Kammer oder eine eine vorbehandelte Kathode enthaltende Elektronenstrahlquelle ersetzt werden. Eine solche Ersatzkathode oder Ersatzelektronenstrahlquelle, die als fertige Einheit unmittelbar einem Vorratslager entnommen werden könnte, ließe sich außer für abtastende Elektronenmikroskope auch für alle anderen ähnlichen Einsatzfälle verwenden, beispielsweise für eine Kathodenstrahlröhre, bei der anstelle der Probe ein Leuchtschirm vorgesehen ist. Eine derartige Einheit kann auch eine Ionenpumpe enthalten, um das erforderliche Vakuum beim Betrieb aufrecht zu erhalten. Darüber hinaus kann die zweite, die Probe enthaltende Kammer ebenfalls als am Vorratslager gehaltende Austauscheinheit zur Verfügung gestellt werden. Eine Schnellwechselhalterung ermöglicht es, die gewünschte Einheit bequem und in kurzer Zeit auszutauschen und dann ohne nennenswerten Betriebszeitverlust in Betrieb zu nehmen.

Fig. 2 zeigt eine besonders günstige Ausführungsform zur mechanischen Verbindung der Kammern. Die vorevakuierte Kathodenkammer 12 hat einen Befestigungsflansch 30 und eine dünne metallene Dichtungsmembran 32. Sie umfaßt ferner die Kathode 10 und die Wand 26a mit der Öffnung 28. Ein Einsatz 34 mit einem hohlen, d. h. mit einer durchgehenden Bohrung versehen, nadelartigen Stanzkörper 36 ist in eine Öffnung des Befestigungsflansches 30 unter der metallenen Dichtungsmembran 32 eingesetzt. Die Kathodenkammer wird dann zusammen mit O-Ringdichtungen40 und 42 in einen passenden Flansch 44 der Probenkammer 24 eingesetzt. Die ineinandergreifenden Flansche 30 und werden durch eine Klammer 46 zusammengehalten. Nachdem die Probenkammer 24 auf das gewünschte Vakuum abgepumpt worden ist, wird ein Betätigungsnocken 50 eingeschoben, bis er mit dem Stanzkörper 36 fluchtet. Sodann wird der Nocken 50 gedreht, wobei sein Nockenvorsprung den Stanzkörper 36 gegen die metallene Dichtungsmembran 32 (vergl. Fig. 2 a) drückt, um diese zu durchstoßen, ohne daß es zu einem Verlust an Vakuum kommt. Nachdem der Stanzkörper 36 die Dichtungsmembran 32 durchstoßen hat, wird

er fixiert. Der Elektronenstrahl kann dann von der Kathode IO durch die Öffnung 28 und von hier aus durch den hohlen Stanzkörper .36 seinen Weg zu der Probenkammer nehmen.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform für die mechanische Verbindung von Kathodenkammer und Probenkammer. Teile, die denjenigen der F i g. 1 bzw. 2 entsprechen, sind mit den gleichen, jedoch mit einem Apostroph ergänzten Bezugszeichen versehen. Eine vorevakuierte Kathodenkammer 12' besitzt einen Befestigungskopf 30' und eine metallene Dichtungsmembran 32'. Sie weist ferner die Kathode Wa und die Wand 26'a mit der Öffnung 28' auf. Ein hohler, nadelartiger Stanzkörper 36' ist in eine Öffnung in dem Befestigungsflansch 44' der Probenkammer 24' eingesetzt. Eine Schraubkappe 46' übergreift den Befestigungsflansch 30' und ein Sprengring 38 ist in eine Nut des Befestigungsflansches 30' eingepaßt. Die Kathodenkammer wird dann zusammen mit O-Ringdichtungen 40' bzw. 42' an einer passenden Fassung 44' der Probenkammer 24' befestigt. Beim Abpumpen der Probenkammer 24' wird die Schraubkappe 46' auf die Fassung 44' aufgeschraubt, so daß der Stanzkörper 36' die Dichtungsmembran 32' durchstößt. Sobald die Schraubkappe 46' gespannt worden ist, sind die Kammern gegenüber Atmosphärendruck abgedichtet, und der Elektronenstrahl kann dann durch den hohlen Stanzkörper 36' treten, wie das zuvor für die andere Ausführungsform erläutert wurde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bilden einer Öffnung für den Durchtritt des Elektronenstrahls in einer zwischen zwei Kammern angeordneten dichtenden Membran einer evakuierten Elektronenstrahlröhre, von denen die erste Kammer die Kathode enthält und sich auf einem niedrigeren Druck befindet als die zweite Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze eines Stanzkörpers (36), der mit einer durchgehenden Bohrung versehen ist, deren Achse senkrecht auf der Ebene der Membran (32) steht, gegen die Membran (32) gedrückt wird, und daß der Stanzkörper (36) durch die Membran (32) hindurchgedrückt und in der Membran (32) derart angeordnet und das verschobene Membranmaterial derart versetzt wird, daß der Elektronenstrahl ungehindert durch die Bohrung des Stanzkörpers (36) hindurchtreten kann.

2. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine äußere Einrichtung, die mit dem Stanzkörper (36) derart in Verbindung steht, daß dieser axial bewegt und durch die Membran (32) hindurchgedrückt werden kann.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Einrichtung eine Welle und einen in der Nähe des Stanzkörpers (36) angeordneten Nocken (50) aufweist und daß die Welle sowohl axial beweglich als auch drehbar ist, um den Nocken (50) in oder außer Eingriff mit dem Stanzkörper (36) zu bringen (F i g. 2,2 a).

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Einrichtung eine die Elektronenstrahlröhre umschließende Manschette (46') mit Gewindegängen aufweist, die mit Gewindegangen des Stanzkörpers (36') oder einer Halterung (44') des Stanzkörpers (36') in Eingriff stehen, um so den Stanzkörper (36') bei Drehung der Manschette (46') auf die Membran (32'} zu und durch diese hindurchzuführen (F ig. 3).

5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei einem abtastenden Elektronenmikroskop.