DE2408719A1 - Elektronenstrahlquelle - Google Patents

Description

Patentanwalt DipL-Phys. Gerhard üedl fs München 22 Steinsdorfstr. 21-22 Tel. 29 84

B 6603

NfflON DENSHI KABUSHIKIKAISHA 1418, Nakagami-cho, Akishima-shi, TOKYO, Japan

Elektronenstrahlquelle

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlquelle mit einer Elektronenstrahlkammer, einer Spannungsversorgungsschaltung, welche an Elektroden der Elektronenstrahlquelle eine Spannung legt, einem isolierten Kabel, welches den Ausgang der Spannungsversorgungsschaltung mit den Elektroden verbindet, wobei eine Umschaltung der elektrischen Verbindungsleitungen bzw. der Verkabelung zwischen den Elektroden und der Spannungsversorgungsschaltung möglich ist.

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Bestimmte Arten von Elektronenstrahlquellen in Elektronenmikroskopen und dgl. benötigen vor der Inbetriebnahme eine spezielle Behandlung. Beispielsweise ist es notwendig, bei Elektronenstrahlquellen, welche mit hohen Beschleunigungsspannungen arbeiten, ein Verfahren bzw. eine Behandlung vorzunehmen, welche als "Konditionieren" bekannt ist, um die Widerstandsspannung bzw. Stehspannung im Vakuum, d.h. die Isolation zwischen den Beschleunigungselektroden vor der Erzeugung eines Elektronenstrahles zu erhöhen. Auch kann es bei einer Feldemissionselektronenstrahlquelle notwendig sein, die Oberfläche der Kathode zu reinigen, indem man die Kathode in kurzen Zeitabständen einer Wärmebehandlung, welche als "Abschlackung oder "Spülen" (flushing) bekannt ist, unterwirft.

Ih jedem der beiden Fälle, nämlich beim Konditionieren oder bei der Abschlackung, ist es notwendig, die Verdrahtung bzw. Verkabelung zwischen den Elektroden der Elektronenstrahlquelle und der Spannungsversorgungsschaltung umzuschalten. Bei bekannten Vorrichtungen wird diese Umschaltung dadurch ausgeführt, daß die Verkabelung mechanisch in einem Schaltkasten, in welchem auch die Spannungsquellen untergebracht sind und der getrennt von der Elektronenstrahlkammer angeordnet ist, umgeschaltet wird. Diese Handhabung ist nicht nur beschwerlich, sondern hat auch dön Nachteil, daß es eine Gefahrenquelle bedeutet aufgrund von Irrtümern des Bedienungspersonals. Wenn darüber hinaus das Isolierkabel, das die Elektronenstrahlkammer mit der Spannungsversorgungsschaltung verbindet, lang ist, ist seine Streukapazität groß. Die Kathode kann dann leicht zerstört werden, wenn im Innern der Elektronenstrahlkammer während der Konditionierung und während der Abschlackung Vakuum entladungen in Erscheinung treten.

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu beseitigen und hierbei die Durchführung des Konditioniervorganges und der Ab-

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schlackung zu erleichtern.

Diese Aufgäbe wird bei einer Elektronenstrahlquelle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß elektrische Umschaltermittel zwischen der Verkabelung und der Elektronenstrahlka mtner vorgesehen sind, wobei die Umschaltermittel Schalter und hochohmige Widerstände und dergleichen aufweisen, so daß verhindert wird, daß die elektrische Ladung, welche aufgrund der Streukapazität des Isolierkäbels und der Kapazität der Spannungsversorgungsschaltungen vorhanden ist, sich als Überstrom aufgrund eines Durchschlages durch die Isolierung wegen einer Vakuumverschlechterung· oder -störung entlädt.

Die Umschaltmittel können bei der Elektronenstrahlquelle in einer Umschalterkammer untergebracht sein. Die Umschalter dienen hierbei zum Umschalten der elektrischen Verdrahtung bzw. Verkabelung zwischen den Elektroden in der Elektronenstrahlkammer und den zugeordneten Spannungsversorgungsschaltungen. Die Umschalterkammer ist hierzu zwischen der Elektronenstrahlkammer und der elektrischen Verkabelung, welche die Spannungsvers orgungsschaltungen mit den Elektroden verbindet, angeordnet.

Durch die Erfindung wird es ermöglicht, die elektrische Verkabelung zwischen den Elektroden der Elektronenstrahlquelle und den Spannungsvers orgungsschaltungen umzuschalten bzw. umzupolen. Die Umschaltermittel sind hierzu zwischen der Elektronenstrahlkammer und dem Kabel, das die Spannungsversorgungsschaltungen mit den Elektronen verbindet, angeordnet.

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In den Figuren sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Anhand der folgenden Beschreibung dieser Ausfiihrungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Elektronenstrahlquelle vom Feldemissionstyp, welche im kalten Zustand aufgrund eines elektrischen Feldes Elektronen aussenden kann und

Fig. 2

und 3 den mechanischen Aufbau der Umschalterkammer, welche bei der Elektronenstrahlquelle der Fig. 1 zur Anwendung kommen kann.

In der Fig. 1 ist eine Elektronenstrahlkammer 1 gezeigt, in der ein Vakuum aufrechterhalten wird. Mit 2 ist ein Heizdraht für eine Kathode 3 bezeichnet, wobei die Kathode am Heizdraht 2 befestigt ist. Mit 4 ist eine erste Elektrode zur Erzeugung eines starken elektrischen Feldes an der Kathodenspitze bezeichnet. Mit 5 ist eine zweite Elektrode oder auch Anode bezeichnet, die an Massepotential liegt. Der Heizdraht 2 und die erste Elektrode 4 sind über ein Isolierkabel mit einem Spannungsquellengehäuse 6 verbunden. Mit 8 ist eine Gleichspannungsquelle bezeichnet, die ein hohes Potential von etwa 100 KV an die Kathode 3 legt. Mit 9 ist ebenfalls eine Gleichspannungsquelle bezeichnet, welche eine Potentialdifferenz in der Größenordnung von einigen 10 KV zwischen die Kathode 3 und die erste Elektrode 4 zum Zwecke der Feldemission legt. Mit 10 ist eine Wechselspannungsquelle bezeichnet, die mit einem Isolationstransformator 11 verbunden ist und zur Beheizung des Heizdrahtes 2 dient. Zwischen dem Isolierkabel 7 und der Elektronenstrahlkammer 1 ist eine Umschalterkammer 12 zum Umschalten der elektrischen Verkabelung vorgesehen. Diese enthält eine Reihe von drei Umschaltern SW₁, SW₀ und SW_Q sowie hochohmige

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Widerstände 13,14, die eine Entladung aufzuhalten vermögen,und außerdem einen Kondensator 15 und Überspannungsableiter 16.

Da die Hochspannung zur Beschleunigung des aufgrund der Feldemission erzeugten Elektronenstrahles zwischen die Elektroden 4 und 5 gelegt ist, ergibt sich ein Durchschlag bzw. eine Vakuumentladung, wenn der Druck in der Kammer aus irgendeinem Grund gestört ist. Aufgrund e ines derartigen Durchschlages wird zwischen der Kathode 3 und der Elektrode 4 eine Überspannung erzeugt, woraus eine Lichtbogenentladung zwischen den Elektroden in Erscheinung tritt, was zur Zerstörung der Kathodenspitze führen kann. Die hochohmigen Widerstände 13 und 14 verhindern jedoch, daß die elektrische Ladung, welche aufgrund der Kapazität der Spannungsquellen im Spannungsquellengehäuse und aufgrund der Streukapazität des Isolierkabels 7 gespeichert ist, sich in Form eines Überstromes aufgrund des Durchschlages wegen einer Störung des Vakuums entlädt. Der Kondensator 15 und der Überspannungsableiter Tß treten dann in Wirkung, wenn zwischen der Kathode 3 und der Elektrode 4 eine Überspannung auftritt.

Wenn man die Umschalterkammer 12,' welche die hochohmigen Widerstände aufweist, anstelle zwischen dem Kabel und der Elektronenstrahlkammer l,im Spannungsquellengehause 6 unterbringt, erzeugt die elektrische Ladung, welche aufgrund der Streukapazität des Isolierkabels 7 gespeichert ist, einen Entladungsstrom direkt zwiscfe η der Kathode und der ersten Elektrode in überhöhtem Ausmaß, wobei die hochohmigen Widerstände nicht zwischengeschaltet sind.

Bei der Durchführung der Abschlackung (flushing) (d.h. bei der Reinigung der Kathode durch eine Wärmebehandlung in kurzen Zeiträumen, wie im vorstehenden schon ausgeführt), werden bei der Vorrichtung, welche in der Figur 1 gezeigt ist, die Schalter SW-, SW«, und SW„

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in den "Offen"- oder "Geschlossen-Zustand gebracht und die Kathode wird mittels der Wechselspannungsquelle 10 ohne Verwendung de3 Widerstandes 13 aufgeheizt. In diesem Zustand ist es notwendig, den Ausgang der Spannungsquelle 9 auf Null herabzusetzen, wobei SW₉ geschlossen ist, weil nämlich eine überhöhte Feldemission aufgrund des elektrischen Feldes zwisele η der beheizten Kathode und der ersten Elektrode 3 erzeugt wird.

Im Falle der Durchführung der Konditionierung (d. h. beim Erhöhen der Widerstandsspannung im Vakuum zwischen den Elektroden 4 und 5) ist nur der Schalter SW„ geschlossen und der Ausgang der Spannungsquelle 9 ist auf Null zurückgesetzt, wie das auch bei der Abschlackung der Fall ist. Der Ausgang der Hochspannungsquelle 8 ist in diesem Fall etwa um 5 bis 30 gegenüber dem Normalfall erhöht. Hieraus ergibt sich, daß die Ionen mit erhöhter Kraft auf die Elektrodenoberflächen auftreffen und hierbei Mikrovorsprünge bzw. Aus wüchse und Staubteilchen beseitigen. Hierdurch wird die Möglichkeit eines elektrischen Durchschlages auf ein Minimum herabgesetzt.

Darüber hinaus wird durch die erhöhte Erzeugung von Mikroentladungen auf den Elektrodenoberflächen die Ausbildung einer elektrischen Ladung an diesen Oberflächen verhindert, so daß es äußerst unwahrscheinlich ist, daß eine Situation entsteht,;.bei der eine elektrische Ladung auftritt. " .

Beim normalen Betrieb sind die Schalter SW₁, SW« und SW„ geöffnet und der Ausgang der Spannungsquelle 9 befindet sich im Normalzustand, d. h. er wächst von Null bis zu einer geeigneten Betriebsgröße an.

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Die Fig. 2 zeigt den mechanischen Aufbau in der Nähe der Umschalterkammer 12 in der Fig. 1. Mit 17 ist die obere Abdeckung der Elektronenstrahlkammer bezeichnet. Diese Abdeckung besteht aus Keramik oder einem anderen geeigneten Isoliermaterial, das auch als physikalischer Träger für den Heizdraht und die Kathode geeignet ist. Die obere Seite der oberen Abdeckung 17 ist mit drei Anschlüssen versehen, mit denen Drähte 7a, 7b zum Beheizen der Kathode und ein Draht 7c, der ein Potential an die Elektrode 4 legt, verbunden sind. Diese drei Anschlüsse sind des weiteren mit einem ve iteren Satz von Anschlüssen verbunden, der an einem Isolierträger 19 vorgesehen ist. Dieser Isolierträger ist am Boden des Isolierbehälters 18 befestigt, wobei der Isolierbehälter den oberen Teil der Elektronenstrahlquelle bi ldet. Die Widerstände 13 imd 14 sowie die Umschalter SW-, SW₂ und SW„, der Kondensator 15 und der Überspannungsableiter 16 usw. sind im Isolierbehälter 18 untergebracht und werden dort mittels des Isolierträgers 19 gehalten. Die Umschalter SW-, SW„ und SW₃ sind mit einem isolierten Stab 20 verbunden, der durch einen Ausschnitt in der Wand des Isolierbehälters und ein Auf Satzglied 21: ragt. Der Isolierstab kann von außen her betätigt bzw. gesteuert werden. Der Isolierstab ist mittels eines Knopfes 22 gehalten und befestigt. Dieser Knopf befindet sich am einen Ende des Isolier Stabes. Der Isolierbehälter 18 ist mit einem Isolieröl 23 angefüllt,und der obere Teil des Isolierbehälters ist mittels eines Isolierträgers 24, der das Kabel 7 trägt, abgedichtet. Ein zweites Trägerelement 25 trägt den Isolierträger 24. Das Isolierkabel 7, welches die Elektronenstrahlquelle mit den Spannungsvers orgungsschaltkreisen verbindet, ist mittels einer Klemmschraube 27 in einem Halter 26 befestigt.

Die Schalter SW-, SW„ und SW₃ können geschlossen oder geöffnet werden, indem man am Isolierstab 20 dreht. Das Ausmaß der Drehung, welche zum Öffnen oder Schließen der Schalter notwendig ist, verändert

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sich jedoch von Schalter zu Schalter. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß drei Schalterkombinationen vorgesehen sind, welche aus einem vorgegebenen Ausmaß der Drehung resultieren, wobei jede Kombination genau einen Zustand festlegt und zwar "normaler Betrieb", "Konditionierung" oder "Abschlackung". Demgemäß ist es bei der Ausführungsform gemäß der Erfindung möglich, die entsprechenden ümschaltungen für die Zuleitungen zwischen den Spannungsversorgungsschaltungen und den Elektroden der Elektronenstrahlquelle sicher und einwandfrei durch einfache Betätigung eines Drehknopfes, der nahe an der Elektronenstrahlkammer angeordnet ist, durchzuführen.

Die Fig. 3 zeigt den wesentlichen Teil einer anderen Umschalterkammer als weiteres Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Blattfederschalter 28,29, 30 anstelle der mechanischen Umschalter SW₁, SW_n und SWo vorgesehen. Die Blattfederschalter 28,29, 30 werden mittels eines Magnetfeldes, das durch Magnetspulen 31, 32, 33 erzeugt wird, entsprechend umgeschaltet. Die Magnetspulen werden vom Ausgangsstrom einer Gleichspannungsquelle 34, die außerhalb der Umschalterkammer angeordnet ist, erregt. Die Erregerströme werden durch mechanische Umschalter SW₄, SW₅, SW_g, welche außerhalb der Wandung des Isolierbehälters 18 angeordnet sind, gesteuert. Diese Umschalter sind an einem Isolierstab 35 angeordnet. Durch Drehen eines Knopfes 36, der am einen Ende des Isolierstabes 35 vorgesehen ist, werden die Stellungen der Schalter SW , SW₅ und SWg in der gleichen Weise geändert, wie das bei den Schaltern SW-, SW₂ und SW₃ in der Fig. 2 der Fall ist.

Im vorstehenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, wobei diese Ausführungsbeispiele bei den verschiedenen Typen von Elektronenstrahlquellen anwendbar sind. Beispielsweise kann die Erfindung bei einer Feldemissionselektronenstrahlquelle mit beheiztem

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Heizdraht, aur Anwendung kommen. Auch kann sie bei einer Elektronenstrahlquelle vom thermionischen Emissionstyp Verwendung finden, bei der die Abschlackung (flushing) nicht notwendig ist. Hierbei kann dann die Schalter reihe auf zwei Schalterkombinationen anstelle von drei verringert werden. Wenn hinwiederum ein thermionisches Strahlungsmittel zum Abwaschen bzw. zum Reinigen der Anode oder der ».rsten Elektrode vorgesehen ist, kann der hierzu notwendige Umschalter leicht hinzugefügt werden.

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Claims (3)

1. 2Λ0871

   Patentan Sprüche

   Elektronenstrahlquelle mit einer Elektronenstrahlkammer, einer Spannungsversorgungsschaltung, welche an Elektroden der Elektronenstrahlquelle eine Spannung legt, einem isolierten Kabel, welches den Ausgang der Spannungsversorgungsschaltung mit den Elektroden verbindet, wobei eine Umschaltung der Verkabelung zwischen den Elektroden und der Spannungsversorgungsschaltung möglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Umschaltermittel zwischen dem Kabel (7) und der Elektronenstrahlkammer (1) vorgesehen sind, wobei die Umschaitermittel Schalter und hochohmige Widerstände aufweisen, die verhindern, daß die elektrische Ladung, welche infolge der Streukapazität des Isolierkabels und der Kapazität der Spannungsquellen vorhanden ist, in Form eines Überstromes aufgrund eines Durchschlages wegen einer Vakuum Verschlechterung oder Störung sich entlädt.
2. 2. Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (28, 29, 30) mittels mechanisch betätigbarer Umschalter (SW₄, SW₅, SW₆) betätigbar sind.
3. 3. Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalter (28,29, 30) als Blattfederschalter ausgebildet sind, welche mittels eines Magnetfeldes ansteuerbar sind.

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