DE2512628A1

DE2512628A1 - Elektronenkanone

Info

Publication number: DE2512628A1
Application number: DE19752512628
Authority: DE
Inventors: Norman James Taylor
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1974-03-22
Filing date: 1975-03-21
Publication date: 1975-09-25
Also published as: DE2512628C2; FR2265174A1; JPS514950A; FR2265174B3; GB1489941A; US3932749A

Description

und. Spannungen zum Ablenken des Strahls und zur Korrektur des Astigmatismus werden auf den Platten dieser Elektrode überlagert.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Elektronenkanonen und insbesondere eine Elektronenkanone, die speziell zur Verwendung in einem Auger-Spektrometer geeignet ist.

Bei der Auger-Analyse, wenn ein Elektronenstrahl auf eine zu untersuchende Probe gerichtet wird, ist es notwendig, daß der Strahl scharf und gut definiert ist, um eine hohe Auflösung und Freiheit von Verzerrung zu erhalten. Zu diesem Zwecke ist es erwünscht, daß die Endlinse der den Strahl liefernden Kanone so eng an der Probe wie möglich positioniert ist.

Elektronenkanonen weisen allgemein Ablenkungsplatten auf, um den Strahl abzulenken, um die Probe zu überstreichen, und einige Einrichtungen, um den Astigmatismus im Strahl zu korrigieren. Bei bekannten Kanonen sind die Ablenkplatten und der Astigmatismuskorrektor allgemein zwischen der Endlinse und der Probe angeordnet, und sie verhindern es deshalb, die Linse so eng an der Probe zu positionieren, wie das sonst erwünscht wäre.

509839/0797

Zusammenfassung der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen Elektronenkanone sind die Funktionen von Ablenkplatten und Astigmatismuskorrektor in einem Element der Ehdlinse kombiniert, die so dicht an der Probe wie gewünscht positioniert werden kann. Diese Elektrode besteht aus einer Anzahl von teilzylindrischen Platten, die koaxial zur Strahlachse angeordnet sind, und Spannungen zur Ablenkung des Strahls und zur Korrektur des Astigmatismus sind auf diesen Platten überlagert.

Allgemein ist es ein Ziel der Erfindung, eine neue und verbesserte Elektronenkanone zu schaffen.

Weiter soll durch die Erfindung eine Elektronenkanone ' verfügbar gemacht werden, bei der die Funktionen der Endlinse, der Ablenkplatten und der Astigmatismuskontrolle in einem Element der Endlinse kombiniert sind.

Weitere Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer Elektronenkanone nach der Erfindungj

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 ein Schaltbild zur Veranschaulichung des Anlegens der Betriebsspannungen an die Elektronenkanone nach Fig. 1; und

Fig. 4 schematisch eine 8-polige Ausgangselektrode zur Verwendung in der Elektronenkanone nach der Erfindung.

.../4 509839/0797

Gemäß Fig. 1 bis 3 weist die Elektronenkanone eine Drahtanordnung 11 auf, die aus einem Drahtelement 12 besteht, das aus einem geeigneten Material, wie Wolfram-Band, hergestellt ist, und eine Wehnelt-Elektrode 13· Stifte 14 sind mit einem Draht verbunden und können in einer Buchse aufgenommen werden, an die Leistung zur Heizung des Drahtes angelegt wird. Die Drahtanordnung wird von einem Montagearm 16 abgestützt, der mit einem Abstandshalter 18 im Abstand von einer kreisförmigen Basis 17 gehalten wird. Der Arm 16 ist elektrisch mit einer Seite des Drahtes 12 und mit einem Anschlußstift 19 verbunden, der auf die Basis 17 montiert ist. Der Anschluß an Stift 19 erfolgt über einen Leiter 21, der in geeigneter Weise am Arm befestigt ist, beispielsweise durch Punktschweißen.

Eine Anodenanordnung 23 beschleunigt den Elektronenstrahl von der Drahteinheit 11 längs einer Achse 24. Die Anodeneinheit ist von bekannter Konstruktion und weist einen axial-länglichen rohrförmigen Körper 26, eine Endkappe 27 und eine kreisförmige Aperturplatte auf, die eine axial angeordnete Apertur 29 aufweist. Die Anodenanordnung wird mit einem Montagearm 31 abgestützt, der am rohrförmigen Körper 26 befestigt ist.

Es ist eine Einrichtung vorgesehen, um Wärme abzuführen, die von Elektronen erzeugt wird, die auf die Platte 28 prallen, statt durch die Öffnung 29 zu passieren. Diese Einrichtung besteht aus einem Ring 32, der zwischen Haltearmen 16 und 31 mit ringförmigen Abstandshaltern 33 und 34 abgestützt wird. Der Ring besteht aus einem thermisch leitenden Material, wie Kupfer, und ist so positioniert, daß er an einem

509839/0797 ·*·/5

Zylinder 36 im Spektrometer anliegt, in dem die Elektronenkanone verwendet wird. Dieser Zylinder ist in gleicher Weise aus einem thermisch leitenden Material gefertigt, und sein vorderes Ende ist geschlitzt, wie bei 37 angedeutet, so daß Finger gebildet werden, die den Ring 32 greifen. Das andere Ende des Zylinders ist mit einer KUhlleitung oder Wärmeabfuhr im Spektrometer verbunden.

Ein elektrostatisches Linsenelement 41 ist koaxial zum Elektronenstrahl angrenzend an die Anodeneinheit 23 angeordnet. Dieses Element besteht aus einem Ringrohr 41, das von einem Montagearm 42 getragen wird, der vom Arm 31 mit einem ringförmigen Abstandshalter getrennt ist.

Eine zweite Anoden- und Austastanordnung 44 ist angrenzend an Linse 41 positioniert. Diese Einheit besteht aus einem axial-länglichen rohrförmigen Körper 46, in dem Aperturplatten 47 und 48 montiert sind. Diese Platten sind so geformt, daß sie axial angeordnete rückwärtige und Front-Öffnungen 51 bzw. 52 aufweisen. Die Einheit 44 weist auch ein rampenförmiges Element 53 auf, das elektrisch mit dem Körper und den Aperturplatten verbunden ist, sowie eine Modulationselektrode 54, die dagegen isoliert ist. Die Elektrode ist auf einen isolierenden Abstandshalter 56 montiert, der vom Körper 46 getragen wird, und elektrische Anschlüsse an die Elektrode erfolgen über einen Leiter 57, der mit einem Stift ähnlich Stift 19 in Sockel 17 verbunden ist. Die Einheit 44 wird mit Montagearmen 58 und 59 abgestützt, die vom Arm 42 mit einem ringförmigen Abstandshalter 61 getrennt sind.

509839/0797

Ein zweites elektrostatisches Linsenelement 62 ist längs der Strahlachse vor der Anoden- und Austasteinheit 44 angeordnet. Dieses Element ist ähnlich Linse 41, und es wird mit einem Montagearm 63 abgestützt, der vom Arm 59 mit einem ringförmigen Abstandshalter 64 getrennt wird.

Vor der Linse 62 ist eine Deflektor- und Asgisma- . tismus-Korrektur-Elektrode 70 montiert. Diese Elektrode besteht aus vier teilzylindrischen Platten 71-74, die senkrecht zueinander um die Strahlachse 24 herum angeordnet sind. Die Platten 71-74 sind mit radial vorstehenden Montagelaschen 71a-74a versehen, die an einem ringförmigen Montagering 76 mit Schrauben 77 befestigt sind. Der Ring 76 ist auf einen konischen Nasenblock 78 mit Schrauben 79 montiert, und Teile des Blockes sind weggeschnitten, wie bei 81 angedeutet, um freien Raum für die Köpfe der Schrauben 77 zu schaffen. Ein ringförmiger Abstandshalter 82 ist zwischen dem Arm 63 und einer axial weisenden Ringschulter am Block 78 angeordnet, und eine Abdeckung mit einer Axialöffnung 84 ist außerhalb des Blockes montiert.

Das Linsenelement 41 und die angrenzenden Endsektionen 26a und 46a der Rohre 26 und 46 wirken zusammen, so daß eine erste Zylinderlinse aus drei Elementen gebildet wird, und das Linsenelement 62 arbeitet mit der angrenzenden Endsektion 46b des Rohres 46 und der Elektrode 70 zusammen, so daß eine zweite Zylinderlinse aus drei Elementen gebildet wird.

Die Kanone wird mit länglichen Stäben 86 zusammengehalten, deren Vorderendoi in den Nasenblock 78 eingeschraubt sind. In der bevorzugten Ausführungsform sind drei solche Stäbe vorgesehen, und sie haben gleichen Abstand um die Strahlachse 24, Die rückwärtigen Enden

509839/0797

der Stäbe 86 führen durch öffnungen in der Basis 17» und Muttern 87 und federnde Unterlegscheiben 88 sind darauf montiert. Die Muttern werden festgezogen, um die Basis 17 und den Nasenblock 78 zusammenzuziehen, so daß die ringförmigen Abstandshalter, Montagearme und der Kühlring 32 fest zusammengeklemmt werden, um eine feste Struktur zu bilden.

In der bevorzugten Ausführungsform sind die ringförmigen Abstandshalter, der Abstandshalter 56 und der Montagering 76 alle aus elektrisch isolierendem Material hergestellt, beispielsweise einem Hochtemperatur-Keramikmaterial j die Montagearme, Anodeneinheiten, Linsen, Elektrodenplatten 71-74, der Nasenblock 78 und die Stäbe 86 bestehen aus rostfreiem Stahl, und die Aperturplatten 28, 47 und 48 sind aus Molybdän hergestellt. Anschlüsse an die Anode 23, die Linsen 41 und 62 sowie die Elektrodenplatten 71-74 sind durch Leiter hergestellt, die mit Stiften ähnlich Stift 19, der auf Basis 17 montiert ist, verbunden sind. Externe Anschlüsse an die Stifte an der Basis und die Stecker für den Draht bestehen aus Buchsen, die einen Teil des Spektrometers oder einer anderen Einrichtung bilden, mit der die Kanone verwendet wird.

Es sind Einrichtungen vorgesehen, mit denen Potentiale an die Elektrodenplatten 71-74 gelegt werden können, um den Elektronenstrahl abzulenken und Astigmatismus im Strahl zu korrigieren. Diese Einrichtungen weisen eine einstellbare Quelle 91 auf, mit der Astigmatismus-Korrektur-Potentiometer 92 und 93 in Reihe geschaltet sind. Der Vereinigungspunkt d&Bser Potentiometer ist geerdet, und Ablenkpotentiometer 96 und 97 sind in

.../8 509839/0797

Reihe mit den Abgriffen der Potentiometer 92 und 93 geschaltet. Die Abgriffe der Potentiometer 96 und 97 sind an die Platten 71 und 73 angeschlossen. Eine ähnliche Quelle und ein ähnlicher Potentiometersatz können gewünschtenfalls für die Platten 72 und 74 vorgesehen werden.

Betriebsweise und Verwendung der Elektronenkanone kann mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben werden. Eine geeignete Spannungsquelle 101 ist mit dem Draht 12 verbunden, und eine Quelle 102 liegt zwischen Draht 12 und Vehnelt-Elektrode 13, um diese Elektrode auf einem negativeren Potential zu halten als den Draht. Der Draht wird auf einem hohen negativen Potential gehalten, gewöhnlich als Strahlspannung bezeichnet, und zwar mittels einer Quelle 103, die zwischen Draht und Erde gelegt ist, und die Anoden 23 und 44 sind geerdet. Negative Potentiale werden mit Spannungsteilerpotentiometern 106 und 107, die an die Quelle 103 angeschlossen sind, an die Linsen 41 und 62 gelegt. In der bevorzugten Ausführungsform wird die von der Quelle 91 erzeugte Spannung von der Strahlspannung abgeleitet, die von der Quelle 103 erzeugt wird, und ist dieser proportional.

Vom Draht 12 emittierte Elektronen werden von der Wehnelt-Elektrode 13» der ersten Anode 23, der Linse und der zweiten Anode 44 zu einem axial gerichteten Strahl geformt, beschleunigt und fokusiert. Eine zusätzliche Fokusierung des Strahls wird durch die Linse 62 erreicht, und der Strahl wird auf eine Probe 108 gerichtet. Potentiometer 106 und 107 werden so justiert, daß die durch die Linsen 41 und 62 erfolgte Fokusierung justiert wird.

.../9 509839/07 9 7

Ein Austasten oder eine Unterbrechung des Strahls kann dadurch erreicht werden, daß eine negative Spannung -V an die Modulationselektrode 54 über den Leiter 57 gelegt wird. Wenn dieses Potential angelegt ist, wird der Elektronenstrahl, der normalerweise durch die öffnung 52 passiert, so abgelenkt, daß er auf die Platte 48 auftrifft und blockiert oder unterbrochen wird.

Astigmatismus im Strahl wird dadurch korrigiert, daß die Potentiometer 92 und 93 so justiert werden, daß sie Potentiale gleicher Größe und Polarität an die Platten 71 und 73 legen. Wenn der Strahl in Richtung einer die Platten 71 und 73 durchsetzenden Ebene verlängert ist, kann der Astigmatismus entweder dadurch korrigiert werden, daß eine negative Spannung an die Platten 71 und 73 gelegt wird, oder daß eine positive Spannung an die Platten 72 und 74 gelegt wird. In ähnlicher Weise kann, wenn der Strahl in Richtung einer axialen Ebene, die die Platten 72 und 74 durchsetzt, verlängert ist, dieser Astigmatismus entweder dadurch korrigiert werden, daß eine positive Spannung an Platten 71 und 73 gelegt wird, oder eine negative Spannung an Platten 72 und 74.

Ein-überstreichen der Probe 108 wird dadurch bewirkt, daß die Abgriffe der Potentiometer 96 und 97 so bewegt werden, daß das Potential an den Platten 71 und 73 mit der gewünschten Abtastrate variiert wird. Die Potentiometer 96 und 97 sind vorzugsweise gekuppelt, und wenn Astigmatismus fehlt, legen sie Ablenkapannungen gleicher Größe und entgegengesetzter Polarität an die Platten 71 und 73. Die Ablenk- und Astigmatismuskorrektur-Spannungen werden einander überlagert, und wenn die

.../10

509839/0797

Potentiometer 92 und 93 so justiert sind, daß ein Astigmatismus korrigiert ist, unterscheiden sich die an die Platten gelegten Spannungen in ihrer Größe durch einen Betrag entsprechend der Spannung, die erforderlich ist, um den Astigmatismus zu eliminieren. Mit Ablenkspannungen von +200 V und -200 V und einer Korrekturspannung von -50 V ergeben sich Netto-Spannungen an den Platten von +150 V und -250 V.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Ausgangselektrode 110 mit acht teilzylindrischen Platten 111-118, die in gleichen Abständen um die Strahlachse 24 angeordnet sind. Diese 8-polige Elektrode kann an Stelle der Elektrode 70 in der Elektronenkanone nach der Erfindung verwendet werden. Die Platten 111-118 sind in ähnlicher Weise montiert wie die Platten 71-74, und sie sind mit Ablenk- und Astigmatismuskorrektur-Spannungen in ähnlicher Weise wie die Platten 71-74 versorgt. Die 8-Platten-Elektrode ergibt eine etwas größere Flexibilität im Betrieb als die 4-Platten-Elektrode. Zum Ablenken werden benachbarte Plattenpaare zusammengeschaltet, und Potentiale gleicher Größe und entgegengesetzter Polarität werden an diametral einander gegenüberliegende Plattenpaare gelegt. Beispielsweise können die Platten 111 und 118 zusammengeschaltet werden, ebenso wie die Platten 114 und 115, und Ablenkpotentiale gleicher Größe und entgegengesetzter Polarität können an die beiden Plattenpaare gelegt werden. Ein Astigmatismus, der aus einer Verlängerung des Strahls in Richtung einer Axialebene besteht, die diametral einander gegenüberstehende Platten schneidet, kann entweder dadurch korrigiert werden, daß gleiche

.../11 509839/0797

negative Potentiale an die geschnittenen Platten gelegt werden, oder daß gleiche positive Potentiale an die senkrecht zu den geschnittenen Platten stehenden Platten gelegt werden. Beispielsweise eine Verlängerung des Strahls in der durch Linie 122 angedeuteten Richtung kann dadurch korrigiert werden, daß gleiche negative Potentiale an die Platten 111 und 118 und Platten 114 und 115 gelegt werden. Diese Verlängerung kann auch dadurch korrigiert werden, daß gleiche positive Potentiale an Platten 112 und 113 und an Platten 116 und 117 gelegt werden.

Während in der bevorzugten Ausführungsform Ablenkung und Astigmatismuskorrektur im Endelement 70 der aus drei Elementen bestehenden Linse kombiniert sind, kann die Astigmatismuskorrektur in das erste Element der Linse eingebaut werden, nämlich Sektion 46b des Rohrelementes 46, indem diese Sektion als eine Anzahl von teilzylindrischen Platten ähnlich Platten 71-74 geformt wird.

Die Erfindung hat eine Anzahl wichtiger Merkmale und Vorteile. Die Elektrode 70 bildet einen Teil der Endlinse der Kanone und diese Linse kann sehr nahe an einer Probe positioniert werden, um einen Strahl zu liefern, der scharf und gut definiert ist. Die teilzylindrischen Platten gewährleisten, daß die axiale Symmetrie im Linsenbereich aufrechterhalten wird, wenn Ablenk- oder Korrektur-Spannungen fehlen. Die Kanone ist sehr kompakt und besonders geeignet zur Verwendung in einem Auger-Spektrometer.

509839/0797

Claims

V1 P398 D

Paten ta nsprüche

Elektronenkanone mit einer Quelle für Elektronen und einer Einrichtung, mit der der Strahl zu einem längs einer Achse gerichteten Strahl geformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus drei Elementen bestehende zylindrische Linse vorgesehen ist, die eine Ausgangselektrode aufweist, die aus einer Anzahl von teilzylindrischen Platten besteht, die koaxial zur Strahlachse angeordnet sind, eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der eine Ablenkspannung an die Platten gelegt wird, um den Strahl auf der Achse abzulenken, und eine Einrichtung, mit der eine Korrekturspannung an die Platten gelegt wird, um Astigmatismus im Strahl zu korrigieren.
2. Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkspannung und die Korrekturspannung auf den gleichen Platten überlagert sind.
3. Elektronenkanone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektrode aus vier teilzylindrischen Platten besteht, die senkrecht zueinander um die Achse des Strahls angeordnet sind.

.../A2 509839/0797
4. Elektronenkanone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektrode aus acht teilzylindrischen Platten besteht, die in gleichen Abständen um die Strahlachse angeordnet sind.
5. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Apertur, durch die der Strahl normalerweise passiert, zwischen der Strahlformeinrichtung und der Ausgangselektrode angeordnet ist und eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der der Strahl von der Apertur abgelenkt werden kann, um diesen zu unterbrechen.

509339/0 797