DE2929549A1

DE2929549A1 - Feldemissions-elektronenkanone

Info

Publication number: DE2929549A1
Application number: DE19792929549
Authority: DE
Inventors: Satoru Fukuhara; Yoshio Sakitani; Hideo Todokoro
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-07-21
Filing date: 1979-07-20
Publication date: 1980-01-31
Also published as: NL7904601A; US4274035A; JPS5516321A; GB2027267A; DE2929549C2; GB2027267B

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenkanone des Systems, bei welchem eine Kathode bzw. ein Emitter in einem Elektronenmikroskop usw. durch ein elektrisches Feld Elektronen abgibt.

Eine solche Feldemissions-Elektronenkanone beruht auf dem Verfahren, daß ein starkes elektrisches Feld (von beispielsweise 10 V/cm) an eine spitze Kathode (mit einem Krümmungsradius von beispielsweise 100 nm) angelegt wird und diese dadurch infolge des Tunneleffekts Elektronen aussendet. Dies macht es möglich, Elektronenmikroskope mit weitaus größerer Helligkeit und kleineren Elektronenquellen, als es mit herkömmlicher thermischer Elektronenemission möglich ist, und mit hohem Auflösungsvermögen herzustellen.

Bei Verwendung von Feldemissions-Elektronenkanonen für Elektronenmikroskope ist es wünschenswert, zwei Energiewerte, nämlich einen Wert niedriger Energie (entsprechend beispielsweise ungefähr 5 kV) und einen Wert hoher Energie (entsprechend beispielsweise ungefähr 10 kV oder mehr) für die Energien des auf eine Probe treffenden Elektronenstrahls zur Verfügung zu haben. Der Grund hierfür ist, daß eine niedrige Energie den Vorteil mit sich bringt, eine Aufladung der Probe zu vermeiden, was die Beobachtung etwa von sehr seichten Oberflächenabschnitten der Probe gestattet, während mit einer hohen Energie der Astigmatismus vermindert werden kann, was die Verwirklichung eines Elektronenmikroskops mit hohem Auflösungsvermögen ermöglicht.

Bei der Feldemission-Elektronenkanone ist jedoch der Emissionsstrom der Elektronen proportional dem angelegten elektrischen Feld, so daß ein hoher Energiewert (von beispielsweise ungefähr 10 kV oder mehr) zu einer Erhöhung des

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Emissionsstromes und zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Kathode führt.

Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde bislang eine Elektrode des Butler-Typs verwendet. Fig. 1 ist eine Darstellung zur Erläuterung einer Feldemissions-Elektronenkanone, welche die Butler-Elektrode verwendet. Zur Erreichung einer Elektronenemission aus der Kathode 1 wird eine Ziehspannung V, (von beispielsweise ungefähr 5 kV) zwischen einer Kathode 1 und einer ersten Anode 2 mittels einer Gleichspannungsquelle 3 angelegt. Emittierte Elektronen 9 werden zu einem Elektronenstrahl hoher Energie (von beispielsweise 15 kV) durch eine zweite Anode 5 beschleunigt, an welche eine Beschleunigungsspannung V mittels einer Gleichspannungsquelle 4 angelegt ist. Der Elektronenstrahl wird durch eine elektromagnetische Linse 6 fokussiert und auf eine Probe 7 projiziert. In der Figur bezeichnet 8 ein Vakuumgehäuse.

Diese Methode hat den Nachteil, daß die erste Anode 2 und die zweite Anode 5 wegen ihrer Linsenwirkung eine Quelle für Astigmatismus darstellen, und ferner den Handhabungsnachteil, daß die Zentrierung beim übergang zwischen hoher und niedriger Energie schwierig ist. Daneben wird mit dieser Methode der Aufbau kompliziert und zwei Hochspannungsquellen sind erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Feldemissions-Elektronenkanone zu schaffen, welche eine Einrichtung aufweist, mit der ein einfaches Umschalten zwischen Elektronenstrahlen niedriger und hoher Energie unter Konstanthaltung des Elektronenemissionsstroms möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine FeIdemissions-Elektronenkanone vor, welche eine Kathode, eine im Bereich der Kathode angeordnete Steuerelektrode, eine der Beschleunigung der aus der Kathode emittierten Elektronen dienende Anode, eine Gleichspannungsquelle zum Anlegen einer Gleich-

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spannung zwischen der Kathode und der Anode, eine Schalteinrichtung, mit der das Potential der Steuerelektrode zwischen Erdpotential und dem Potential der Kathode umgeschaltet werden kann, und eine Einrichtung zur Änderung der relativen ^T.r.-ge der Kathode und der Steuerelektrode aufweist.

Ira folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben.

Auf dieser zeigt

Fig. 1 eine bekannte Feldemissions-Elektronenkanone, Fig. 2 eine Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 3 eine Charakteristik dieser Ausführungsform.

Fig. 2 ist eine Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feldemissions-Elektronenkanone. Wie in der Figur dargestellt, ist eine Steuerelektrode 12 benachbart zu einer Kathode 11 angeordnet. Ein von der Kathode 11 emittierterElektronenstrom 19 wird durch eine elektronenoptische Linse 16 durch eine Anode 13 hindurch fokussiert und auf eine Probe 17 projiziert. Alle Komponenten sind in einem Vakuumbehälter 18 angebracht. Die Kathode 11 und die Steuerelektrode 12 sind durch einen Isolator 21 isoliert und jeweils durch ein Hochspannungskabel mit einem Isoliertransformator verbunden. Eine Gleichspannungsquelle 15 und ein Schalter 14 sind innerhalb des Isoliertransformator angebracht. Durch Umschalten des Schalters 14 kann die Steuerelektrode 12 entweder mit Erdpotential oder mit dem gleichen Potential wie die Kathode 11 verbunden werden.

Wenn die Steuerelektrode 12 auf Erdpotential gelegt ist, ist die Energie des von der Kathode 11 emittierten Elektronenstrahls gleich der durch die Gleichspannungsquelle 15 ange-

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legten Ziehspannung (beispielsweise 5 kV) und damit der niedirge Energiewert. Wenn die Steuerelektrode 12 auf das gleiche Potential wie die Kathode 11 gelegt wird, schirmt die Steuerelektrode 12 das elektrische Feld gegenüber der Spitze der Kathode ab, so daß keine Feldemission auftritt. Um eine Feldemission herbeizuführen, wird die Spannung der Gleichspannungsquelle 15 erhöht. Die Energie des unter diesen Umständen emittierten Elektronenstrahls wird der hohe Energiewert (beispielsweise ungefähr 10 kV oder mehr). Auf diese Weise kann die Energie des Elektronenstroms selbst bei Erhöhung der Hochspannung ohne Emission eines hohen Stroms groß gemacht werden.

Der Wert der hohen Energie läßt sich abhängig von der wechselseitigen Lage bzw. Form von Kathode 11 und Steuerelektrode 12 nach Belieben bestimmen. So ist es durch Vertikalbewegung einer Einrichtung, welche die Kathode 11 hält, beispielsweise eines Balgs 20, möglich, die wechselseitige Lage von Kathode 11 und Steuerelektrode 12 zur Änderung des Werts der hohen Energie zu verändern. Fig. 3 zeigt das Verhältnis zwischen hoher Energie und niedriger Energie, wenn der Innendurchmesser (D) der zylindrischen Steuerelektrode 12 und die Lage (L) der Kathode 11 bezüglich der Steuerelektrode 12 verändert werden. In der Figur ist auf der Abszisse das Verhältnis L/D aufgetragen, während auf der Ordinate das Verhältnis V„/V_r aufgetragen ist. Hierbei bezeichnet V_ die Spannung für den Fall eines Emissionsstroms von beispielsweise ungefähr 10 μΑ, wenn die Steuerelektrode auf Erdpotential gelegt ist. V„ bezeichnet eine Spannung für den Fall eines Emissionsstroms von beispielsweise ungefähr 10 μΑ, wenn sich die Steuerelek-

) trode auf dem gleichen Potential wie die Kathode befindet.

Wie aus dem Diagramm ersichtlich, ist es durch eine von außen herbeigeführte Änderung der Lage der Steuerelektrode 12 möglich, einen Elektronenstrahl jeder gewünschten Energie (bei dieser Ausfuhrungsform von mehr als ungefähr 5 kV) zu erzielen.

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Die Erfindung beschränkt natürlich nicht auf die einzelnen numerischen Werte und Formen, von denen bei obiger Beschreibung ausgegangen wurde, die Werte und Formen können vielmehr entsprechend den jeweiligen Bedingungen ausgewählt werden. Bei vorstehender Ausführnngsform wird die Länge L

durch Bewegen der Kathode bezüglich der Steuerelektrode verändert, ebensogut ist es aber auch möglich, die Länge L durch Bewegen der Steuerelektrode bezüglich der Kathode zu verändern. Wie oben ausgeführt, ist die Lage der Kathode oder diejenige der Steuerelektrode von außerhalb des Vakuums veränderbar, wodurch es möglich ist, einen Elektronenstrahl jeder gewünschten hohen Energie zu erhalten. Es ist möglich, zwischen den Elektronenstrahlen hoher Energie und niedriger Energie mittels einer sehr einfachen Konstruktion umzuschalten, die aus einem einzigen Schalter und einer einzigen Hochspannungsquelle besteht, wobei die Handhabung ebenfalls einfach ist. Auf diese Weise hat die Erfindung eine große Anzahl von Vorteilen. Ferner läßt sich mit der erfindungsgemäßen Feldemissions-Elektronenkanone, bei welcher die Einstrahlungsenergie des Elektronenstrahls höchst einfach verändert werden kann, ein Elektronenmikroskop hohen Auflösungsvermögens herstellen.

Ki/s

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Claims

PATENTANWÄLTE SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK MARIAHILFPLATZ 2*3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MÜNCHEN 95 HITACHI, LTD. 20. Juli 1979 DEA-5924 Feldemissions-Elektronenkanone PATENTANSPRÜCHE

1. Feldemissions-Elektronenkanone, gekennzeichnet durch eine Kathode (11) , eine im Bereich der Kathode angeordnete Steuerelektrode (12), eine Anode (13) zur Beschleunigung der von der Kathode emittierten Elektronen, eine Gleichspannungsquelle (15) zum Anlegen einer Gleichspannung zwischen Kathode und Anode, einen
Schalter (14) zum Umschalten des Potentials der Steuer-

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elektrode zwischen Erdpotential und dem Potential der Kathode, und eine Einrichtung zur Veränderung der relativen Lage von Kathode und Steuerelektrode.

2. Feldemissions-Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Veränderung der relativen Lage von Kathode (11) und Steuerelektrode (12) zur Bewegung der Kathode bezüglich der Steuerelektrode eingerichtet ist.

3. Feldemissions-Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Veränderung der relativen Lage von Kathode (11) und Steuerelektrode (12) zur Bewegung der Steuerelektrode bezüglich der Kathode eingerichtet ist.

4. Feldemissions-Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerelektrode (12) zylindrische Form hat und die Kathode (11) im Mittelteil der zylindrischen Steuerelektrode angeordnet ist.

5. Feldemissions-Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Gleichspannungsquelle (15) aus einer einzigen Hochspannungs-

) quelle besteht.

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