DE3919829C2 - Elektronenkanonen-System mit Feldemission - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektronenkanonen-System mit Feldemission, welches geeignet ist zum Einsatz in einem Elektronenmikroskop, bei der Elektronenstrahllithografie oder dergleichen, und welches geeignet ist zum Erzielen eines Elektronenstrahls hoher Helligkeit und eines hohen Stroms.

Bei einem herkömmlichen Elektronenkanonen-System mit Feldemission sind Lösungswege zum Erreichen eines Elektronenstrahls mit großem Strom, nicht nur unter Verwendung einer Elektronenstrahlfokussierung auf der Basis einer elektrostatischen Linse, sondern auch eine Magnetstrahlfokussierung auf der Basis einer magnetischen Linse, die in der Nachbarschaft einer Elektronenquelle angeordnet ist, durch das britische Patent Nr. 1 291 221 und die JP-A 59 42748 offenbart worden.

Aus "Optik", Band 57, 1980, Nr. 3, Seiten 401-419 von M. Troyon ist ferner ein Elektronenkanonen-System mit Feldemission bekannt, bei dem eine magnetische Linse zugleich als eine erste Anode dient, von der Elektronen auf eine zweite Anode hin beschleunigt werden.

Um einen gewünschten fokussierten Elektronenstrahl bei der Verwendung einer Elektronenkanone in einem Durchstrahlungs- oder Abtastelektronenmikroskop bei der Elektronenstrahllithografie oder dergleichen zu erhalten, ist gewöhnlicherweise ein Illuminierungssystem vorgesehen, d. h. ein System, in dem die Elektronenkanone mit (einer) Kondensorlinse(n) kombiniert ist. Die Helligkeit des erhaltenen Elektronenstrahls wird jedoch geringer als die einer Elektronenquelle an sich, und zwar aufgrund von Aberrationen der Elektronenkanone und der Kondensorlinse. Um einen Elektronenstrahl hoher Helligkeit zu erhalten, ist es wichtig, die Aberrationen des Illuminierungssystems (welches hauptsächlich sphärische Aberration und chromatische Aberration beinhaltet) soweit wie möglich zu reduzieren, um dadurch die Helligkeit, die die Elektronenkanone von sich aus erzeugt, aufrechtzuerhalten.

Die Elektronen erfahren eine elektrostatische Linsenwirkung, wenn sie in einer Elektronenkanone beschleunigt werden. Bei herkömmlichen Illuminierungssystemen in Elektronenmikroskopen oder dergleichen können die Bedingungen, die die Aberration der elektrostatischen Linse in der Elektronenkanone klein ist und die Bedingung, daß die Aberration der Kondensorlinse klein ist, nicht zusammen erfüllt werden. Die sphärische Aberration und die chromatische Aberration der elektrostatischen Linse in der Elektronenkanone ist etwa zehnmal größer als die der magnetischen Linse, die in einem Elektronenmikroskop oder dergleichen eingesetzt wird. Aus diesem Grund wird die magnetische Linse in der Nachbarschaft der Elektronenquelle vorgesehen bzw. angeordnet, und zwar um die Aberration der Elektronenkanone zu reduzieren und die elektrostatische Linsenwirkung zu kompensieren und wobei die elektrostatische Linsenwirkung gesteuert ist, um das System bei einer Bedingung arbeiten zu lassen, in der die Aberration der Kondensorlinse klein wird. Im Ergebnis wird ein Elektronenstrahl hoher Helligkeit und mit großem Strom erhalten.

Elektronenkanonen-Systeme gemäß dem Stand der Technik, die einen einstufigen Beschleunigungstubus verwenden, werden eingesetzt wenn die Beschleunigungsspannung klein ist. Aus diesem Grund ist eine Elektronenbeschleunigungsregion längenmäßig klein und eine elektrostatische Linsenwirkung ist schwach. Da im weiteren der Abstand zwischen der Kondensorlinse und der Elektronenquelle auch kurz ist, ist die Aberration, verursacht durch Reduktion der Strahlgröße durch die Kondensorlinse, auch gering. Dementsprechend trat in herkömmlichen Elektronenkanonen-Systemen mit dem einstufigen Beschleunigungstubus, der unter der Bedingung einer geringen Beschleunigungsspannung verwendet wird, kein grundsätzliches Problem auf. Ein Elektronenkanonen-System mit einer durch ein magnetisches Feld überlagerten Feldemission mit einem mehrstufigen Beschleunigungstubus, der unter der Bedingung einer hohen Beschleunigungsspannung eingesetzt wird, hat jedoch Probleme aufgeworfen. Wenn nämlich ein reales Bild einer Elektronenquelle mit Feldemission in Richtung des Fortschreitens eines Elektronenstrahls durch eine magnetische Linse gebildet wird, wie durch die GB-PS 1 291 221 und die JP-A 59 42748 offenbart, vergrößert eine starke elektrostatische Linsenwirkung den Einfallwinkel des Elektronenstrahls auf eine Kondensorlinse. Da in dem Elektronenkanonen-System mit einer durch ein magnetisches Feld überlagerten Feldemission unter Verwendung des mehrstufigen Beschleunigungstubus ein Elektronenbeschleunigungsbereich lang ist, ist der Abstand von der Elektronenquelle mit Feldemission zu der Kondensorlinse lang und demzufolge ist ein größerer Reduktionsgrad der Strahlgröße durch die Kondensorlinse erforderlich, um die Bildung eines Strahlpunktes durch die Kondensorlinse zu erlauben. Dies führt zu einer Verschlechterung der Helligkeit aufgrund der sphärischen Aberration der Kondensorlinse. Daher ist die Bedingung in einem Elektronenkanonen-System mit einer durch ein magnetisches Feld überlagerten Feldemission mit dem mehrstufigen Beschleunigungstubus zum Erzielen eines Elektronenstrahls hoher Helligkeit und eines hohen Stromes durch das Illuminierungssystem in der Kombination der Elektronenkanone mit der Kondensorlinse unterschiedlich von der in der Elektronenkanone mit Feldemission mit dem einstufigen Beschleunigungstubus. Im weiteren werden in dem Elektronenkanonen-System gemäß dem oben erwähnten Stand der Technik keine diesbezüglichen Betrachtungen angestellt, die Illuminierungsbedingungen, wie die Elektronenstrahlpunktposition und den Divergenzwinkel des Strahls unverändert zu lassen, wenn die Betriebsbedingungen der Elektronenkanone, wie die Feldemissionsspannung und die Beschleunigungsspannung, verändert werden. Da im Falle des Elektronenkanonen-Systems mit einer durch ein magnetisches Feld überlagerten Feldemission unter Verwendung des mehrstufigen Beschleunigungstubus eine hohe Spannung angelegt wird, besteht die große Gefahr, daß eine Entladung auftreten kann. Aus diesem Grund ist es notwendig, eine Spannungsquelle von einem Aufbau zur Verfügung zu stellen, der nicht dazu neigt, einen Schaden zu erleiden selbst beim Auftreten der Entladung an der Elektronenkanone oder den Hochspannungsquellen. Wenn jedoch der herkömmliche Aufbau für eine Spannungsquelle zum Anlegen einer Feldemissionsspannung verwendet wird, einer Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannung an die Beschleunigungselektrode der ersten Stufe und einer Spannungsquelle zum Anlegen von Spannungen an die Beschleunigungselektroden der zweiten bis zur letzten Stufe, tritt ein Problem auf, daß es schwierig ist, Schutzmaßnahmen zu ergreifen, um der Entladung entgegenzutreten, da eine Wahrscheinlichkeit, daß ein Entladestrom zwischen einer Vielzahl von Spannungsquellen fließt, wenn der Ausgang jeder Spannungsquelle durch die Entladung kurzgeschlossen ist, groß wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektronenkanonen- System mit einer durch ein magnetisches Feld überlagerten Feldemission mit einem mehrstufigen Beschleunigungstubus zu schaffen, das mit einer hervorragenden Betriebsfähigkeit ausgestattet ist oder einer Fähigkeit, die Illuminierungsbedingungen unverändert zu lassen, selbst bei Veränderung der Betriebsbedingungen der Elektronenkanone und mit einem Spannungsquellenaufbau hoher Resistenz, der kaum irgendeinen Schaden erleidet, selbst beim Auftreten einer Entladung an der Elektronenkanone und/oder den Spannungsquellen und das in der Lage ist, einen Elektronenstrahl hoher Helligkeit und eines großen Stromes ständig und stabil zu erhalten, selbst wenn die Elektronenkanone mit einer Kondensorlinse kombiniert ist.

Die obige Aufgabe wird durch ein Elektronenkanonen- System mit Feldemission mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Elektronenkanonen-Systems mit einer durch ein magnetisches Feld überlagerten Feldemission mit einem mehrstufigen Beschleunigungstubus gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei der Querschnitt entlang einer Richtung der Achse der Elektronenkanone vorgenommen ist und auch die Verbindung der Spannungsquellen gezeigt wird;

Fig. 2 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel der Beziehung zwischen der Betriebsbedingung einer elektrostatischen Linse und den Aberrationen der elektrostatischen Linse und einer Kondensorlinse zeigt, was für ein herkömmliches Elektronenkanonen-System mit Feldemission mit einem mehrstufigen Beschleunigungstubus aufgetragen ist;

Fig. 3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Beziehung zwischen den Betriebsbedingungen einer magnetischen Linse und der Aberration der magnetischen Linse, einer elektrostatischen Linse und einer Kondensorlinse zeigt, was für ein Elektronenkanonen-System mit einer durch ein magnetisches Feld überlagerten Feldemission mit einem mehrstufigen Beschleunigungstubus aufgetragen ist;

Fig. 4 ist ein Diagramm von Berechnungsergebnissen der Position eines Bildes einer Elektronenquelle für ein Elektronenkanonen-System mit einer durch ein magnetisches Feld überlagerten Feldemission mit einem mehrstufigen Beschleunigungstubus, wenn eine Feldemissionsspannung V₁ verändert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Zuhilfenahme von Fig. 1 erklärt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist der obere Teil eines mehrstufigen Beschleunigungstubus 30 unterhalb einer magnetischen Linse ausgebildet, die einen Flansch 1, ein Joch 2 und eine Spule 3 umfaßt. Der mehrstufige Beschleunigungstubus bzw. die Beschleunigungselektrodenanordnung 30 ist mit Schutzelektroden 50 bis 54 versehen, die an deren äußeren Umfang angebracht sind und sie ist in einer Atmosphäre von hochisolierendem Gas, wie Schwefelhexafluorid, angeordnet, um Entladungen zu verhindern. Das Joch 2 ist aus oberen und unteren Magnetpolen 6 und 7 aufgebaut, die aus Metall bestehen, das eine hohe Sättigungsflußdichte aufweist und aus einem nichtmagnetischen Metall 8. Die oberen und unteren Pole 6 und 7 sind durch das nichtmagnetische Metall 8 voneinander magnetisch isoliert. Ein Isolator 4 und eine Feldemissionselektronenquelle 5 sind an dem Flansch 1 angebracht. Die Spitze der Feldemissionselektronenquelle 5 ist in der Nachbarschaft eines Loches des oberen Pols 6 positioniert. Zwischen der Feldemissionselektronenquelle 5 und der magnetischen Linse ist eine Feldemissionsspannung V₁ aus einer Feldemissionsspannungsquelle 22 angelegt. V₁ ist ein Potential, das von der Feldemissionselektronenquelle 5 aus betrachtet wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dient der obere Pol 6 auch als eine Feldemissionselektrode. Ein Spulenstrom I wird von einer Linsenspannungsquelle 21 an die Spule 3 geführt. Die Feldemissionselektronenquelle 5 ist mit einer Heizspannungsquelle 20 verbunden, so daß sie durch den Fluß eines elektrischen Stromes erhitzt werden kann. Eine Beschleunigungselektrode 10 der ersten Stufe ist vorgesehen, die dem unteren Pol 7 gegenüberliegt. Eine Spannung, deren Potential V₂ ist, wenn von der Feldemissionselektronenquelle 5 ausgegangen wird, wird an die Beschleunigungselektrode 10 der ersten Stufe von einer V₂-Spannungsquelle 23 angelegt. Die Linsenspannungsquelle 21 und die V₂-Spannungsquelle 23 werden durch eine Steuerschaltung 24 in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung V₁ der Feldemissionsspannungsquelle 22 so gesteuert, daß IN/ (N: die Anzahl der Windungen der Spule 3) und V₂/V₁ auf jeweils vorbestimmten Werten gehalten werden. Dabei ist die Steuerung so ausgelegt, daß IN/ und V₂/V₁ jeweils irgendeinen Wert im Bereich von 7 bis 12 bzw. 5 bis 10 annehmen können. Drei Stufen von Beschleunigungselektroden 11 bis 13 sind unterhalb der Beschleunigungselektrode 10 der ersten Stufe angeordnet und mit Teilerspannungen über einen spannungsteilenden Widerstand 31 (ungefähr 1 GΩ) aus einer V₀-Spannungsquelle versorgt, so daß das Potential der Beschleunigungselektrode 13 der letzten Stufe V₀ ist, wenn von der Feldemissionselektronenquelle 5 aus betrachtet wird. Ein Illuminierungssystem, das eine Elektronenkanonenkammer 32, eine Zwischenkammer 33 und eine Kondensorlinsenanordnung 34 aufweist, ist unterhalb des mehrstufigen Beschleunigungstubus 30 vorgesehen. Die Elektronenkanonenkammer 32 wird mittels einer Ionenpumpe 35 auf 10^-8 Pa evakuiert. Ein Differentialevakuierungsplattenventil 37 ist zwischen der Elektronenkanonenkammer 32 und der Zwischenkammer 33 vorgesehen, und ein Verteilerventil 38 ist zwischen der Zwischenkammer 33 und der Kondensorlinsenanordnung 34 vorgesehen. Bei einem solchen Aufbau laufen Elektronen, die von der Feldemissionselektronenquelle 5 durch die Feldemissionsspannung V₁ emittiert werden, durch die Löcher des oberen und des unteren Pols 6 und 7 der magnetischen Linse und werden durch die Beschleunigungselektrode 10 der ersten Stufe und die darauffolgenden Beschleunigungselektroden 11 bis 13 auf eine vorbestimmte Energie beschleunigt. Hiernach laufen die beschleunigten Elektronen durch die Elektronenkanonenkammer 32, das Ablenkjoch 36, das Differentialevakuierungsplattenventil 37, die Zwischenkammer 33, eine Kondensorblende 39 und eine Kondensorlinse 40 und werden auf eine Probe (nicht gezeigt) gelenkt bzw. treffen auf diese auf.

Funktionale Effekte des beschriebenen Elektronenkanonen-Systems können im groben wie folgt beschrieben werden.

Wenn sich ein Potential Φ von Φ(0)=Φ₀ zu Φ(L)=Φ₁ in einem Längenbereich von L wechselt, kann eine elektrostatische Linsenwirkung an diesem Teil wiedergegeben werden durch

wobei f₁ die Brennweite der elektrostatischen Linse auf ihrer Bildebenenseite ist, Φ′ gleich dΦ/dz ist und die z-Achse die Richtung des Fortschreitens der Elektronen wiedergibt. Wie hieraus ersichtlich wird, wird die elektrostatische Linsenwirkung groß an einer Stelle, wo das Potential Φ niedrig ist und der Potentialgradient Φ′ entlang der z-Achse groß ist. In der Elektronenkanone ist nämlich die elektrostatische Linsenwirkung zwischen der Feldemissionselektrode und der Beschleunigungselektrode der ersten Stufe konzentriert. Da der Potentialgradient zwischen der Feldemissionselektrode und der Beschleunigungselektrode der ersten Stufe annähernd konstant gehalten werden kann, kann f₁ konstant gemacht werden, wenn V₂/V₁ konstant gehalten wird. Die Linsenwirkung kann also durch den Wert von V₂/V₁ gesteuert werden.

Es ist bekannt, daß die Linsenwirkung einer magnetischen Linse durch die Gleichung

gut angenähert werden kann, wobei f₁ die Brennweite der magnetischen Linse auf ihrer Bildebenenseite ist, I der Strom, der durch eine Spule fließt, die die magnetische Linse bildet, N die Anzahl der Windungen der Spule, V die Spannung zur Beschleunigung von Elektronen, D der Durchmesser des Loches eines magnetischen Pols der Linse, und L der Abstand zwischen dem oberen und dem unteren Magnetpol der Linse, Φ also die Spaltlänge ist. Die Linsenwirkung der magnetischen Linse kann durch Verändern des Wertes von IN/ gesteuert werden.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen den Aberrationen einer elektrostatischen Linse und einer Kondensorlinse und dem Wert von V₂/V₁, und zwar für das herkömmliche Elektronenkanonen-System mit Feldemission, das den mehrstufigen Beschleunigungstubus einsetzt. In Fig. 2 repräsentiert die Abszisse den Wert von V₂/V₁ und die Ordinate repräsentiert das Verhältnis ▲ der Unschärfe (Aufspreizung der Punktgröße), die durch die sphärische Aberration oder die chromatische Aberration von jeder Linse auf die Nicht-Aberration-Punktgröße induziert wird. Wenn das Verhältnis ▲ der durch Aberration induzierten Unschärfe (Punktgröße aufgespreizt) auf die Nicht-Aberration-Punktgröße groß wird, wird die Helligkeit abgesenkt. In dem gezeigten Beispiel kann aus der Figur ersehen werden, daß eine ausreichende Helligkeit und ein ausreichender Strahlstrom nicht erreicht werden können aufgrund der Aberration der Kondensorlinse, solange das System nicht innerhalb eines Bereiches von V₂/V₁ gleich 11 bis 14 eingesetzt wird. Da V₂ jedoch unter einer solchen Bedingung bis zu 60-80 KV ansteigt, wird die Durchführung dieser Bedingung schwierig, wenn die Gefahr einer Entladung und/oder die Konstruktion der Spannungsquellen in Betracht gezogen wird. Wenn der Wert von V₂/V₁ andererseits zu klein ist, wird die Steuerung der elektrostatischen Linsenwirkung schwierig, da die elektrostatische Linsenwirkung in dem Beschleunigungsbereich der zweiten Stufe stark wird. Ein Bereich von Werten von V₂/V₁, der leicht realisiert werden kann, läuft von 5 bis 10. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ein Elektronenstrahl hoher Helligkeit und eines hohen Stromes erhalten werden, da die Aberration der elektrostatischen Linse klein gemacht wird, indem V₂ auf einen geringen Wert gehalten wird und die elektrostatische Linsenwirkung kompensiert wird, indem die magnetische Linse in der Nachbarschaft der Elektronenquelle angeordnet wird und die magnetische Linse so betrieben wird, daß die Aberration der Kondensorlinse klein wird.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen den Aberrationen einer magnetischen Linse, einer elektrostatischen Linse und einer Kondensorlinse und die Betriebsbedingungen der magnetischen Linse für ein Elektronenkanonen-System mit einer durch ein Magnetfeld überlagerten Feldemission, das einen mehrstufigen Beschleunigungstubus einsetzt. In der Figur repräsentiert die Abszisse die Vergrößerung eines virtuellen Bildes, das durch die magnetische Linse gebildet wird, zusammen mit der Brennweite der magnetischen Linse und dem Wert von IN/ zu dieser Zeit, und die Ordinate repräsentiert das Verhältnis ▲ der Unschärfe, die durch sphärische Aberration oder durch chromatische Aberration jeder Linse induziert wird zu der Nicht-Aberration-Punktgröße. In dem gezeigten Beispiel kann aus der Figur gesehen werden, daß der Einfluß der Aberration am geringsten ist in der Nachbarschaft eines Abschnittes, wo die Vergrößerung des virtuellen Bildes gleich 6 ist. Wenn man die oben erwähnte Aberration der Kondensorlinse berücksichtigt, muß die magnetische Linse ein virtuelles Bild der Elektronenquelle bilden, das vier- bis zehnmal so groß ist wie die Elektronenquelle und die durch die Beschleunigungselektroden gebildete elektrostatische Linse muß ein reales Bild der Elektronenquelle bilden, welches 0,3-3mal so groß ist wie das virtuelle Bild wobei V₂/V₁ zwischen 5 und 10 liegt. Unter solchen Bedingungen können ▲ für die Elektronenkanone, ▲ für die Kondensorlinse und ▲ für die Diffraktionsaberration im wesentlichen gleich zueinander gemacht werden, um die Aberration des ganzen Illuminierungssystems zu minimieren und es dadurch möglich zu machen, die höchste Helligkeit und den größten Strom zu erhalten.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung ist, da das virtuelle Bild der Elektronenquelle anders gebildet wird als für den Fall des herkömmlichen Elektronenkanonen-Systems mit Feldemission mit dem einstufigen Beschleunigungstubus, ein starkes Magnetfeld, wie für das herkömmliche System erforderlich, für die magnetische Linse nicht erforderlich. Bezüglich der Abmessungen der Magnetlinse kann der Durchmesser D₁ eines Loches des oberen Magnetpols zwischen 4 mm und 10 mm liegen. Wenn der Lochdurchmesser D₁ des oberen Pols kleiner als 4 mm ist, kann die hohe Helligkeit nicht erlangt werden aufgrund Fehlachsenaberration, solange nicht die Achsen der Elektronenquelle und der magnetischen Linse miteinander mit einer Präzision kleiner als 50 µm ausgerichtet werden. Eine solche Präzision zu erlangen ist jedoch schwierig. Wenn andererseits D₁ größer ist als 10 mm, ist das Magnetfeld so schwach, daß die Größe der Spule und die Kapazität der Spannungsquelle für die magnetische Linse in nicht erlaubter Weise erhöht werden müssen. Bezüglich einer Spaltlänge L zwischen dem oberen Magnetpol und dem unteren Magnetpol der magnetischen Linse ist ein Bereich von D₁ L D₂ (D₂: Durchmesser eines Loches des unteren Pols) geeignet, wenn die benötigte Magnetfeldstärke und die Größe eines Leck-Magnetfeldes in Betracht gezogen wird. Um die Aberrationen der Magnetlinse und der elektrostatischen Linse zu minimieren, ist es notwendig, den Abstand zwischen der Elektronenquelle und der magnetischen Linse und den Abstand zwischen der Elektronenquelle und der elektrostatischen Linse so klein wie möglich zu machen. Um die Hauptoberfläche der magnetischen Linse in die Nähe der Elektronenquelle rücken zu lassen, wird der Lochdurchmesser D₂ des unteren Pols größer gemacht als der Lochdurchmesser D₁ des oberen Pols. Um auch den Abstand zwischen der Elektronenquelle und der elektrostatischen Linse so klein wie möglich zu machen, wird der Abstand zwischen der Elektronenquelle und einem elektronenstrahldurchlässigen Loch, welches in dem unteren Pol der magnetischen Linse oder einer Oberfläche der Feldemissionselektrode, die der Beschleunigungselektrode der ersten Stufe gegenüberliegt, auf einen Wert gehalten, der nicht größer ist als 20 mm. Da die Betriebsbedingungen und Abmessungen der magnetischen Linse somit festgelegt sind, kann aus Gleichung (2) abgeleitet werden, daß der Wert von IN/ vorzugsweise in einem Bereich von 7 bis 12 liegt.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel der Berechnungsergebnisse der Position eines Bildes der Elektronenquelle für den Fall, wo die Feldemissionsspannung V₁ in besagtem Elektronenkanonen-System mit dem mehrstufigen Beschleunigungstubus, aufgebaut wie in Fig. 1 gezeigt, verändert wird. In der Figur repräsentiert die Ordinate den Abstand FP von der Elektronenquelle zu ihrem Bild, wobei die Richtung des Fortschreitens der Elektronen als die positive Richtung des Abstandes FP genommen wird, und die Abszisse repräsentiert die Feldemissionsspannung V₁. Der in Fig. 4 durch A belegte Bereich ist eine Region, wo sowohl die Elektronenkanone als auch die Kondensorlinse unter Bedingungen geringer Aberration betrieben werden können. Wenn die Feldemissionsspannung V₁ um 100 V geändert wird, ändert sich die Position des Bildes der Elektronenquelle um 300 mm. Um die Illuminierungsbedingungen konstant zu halten, müssen feine Einstellungen des Spulenstromes I und der Spannung V₂, die an die Beschleunigungselektrode der ersten Stufe anzulegen ist, gleichzeitig in Schritten bzw. Einheiten von 0,1 mA für den Spulenstrom und in Schritten von 10 V für die Spannung V₂ vorgenommen werden. Ferner kann der Betrag der Korrektur durch die feine Einstellung in Abhängigkeit von dem Wert von V₁ schwanken. Die Ausführung von solchen Einstellungen durch manuellen Eingriff ist für die Praxis in keinster Weise zufriedenstellend und verschlechtert die Betriebsfähigkeit in bemerkenswertem Maße. Eine Bedingung, daß die Illuminierungsbedingungen unverändert bleiben, auch wenn sich die Feldemissionsspannung V₁ ändert, kann erfüllt werden, indem der Fokussiervorgang auf den Elektronenstrahl unverändert gelassen wird. Aus dem Vorausgegangenen wird deutlich, daß ein Illuminierungssystem, in dem sowohl der elektrostatische Fokussierungsvorgang als auch der magnetische Fokussierungsvorgang unverändert belassen werden, realisiert werden kann, indem V₂ und I in Abhängigkeit von der Veränderung von V₁ verändert werden, so daß V₂/V₁ und IN/ jeweils auf vorbestimmten Werten gehalten werden.

Bei dem Beispiel nach Fig. 1 sind die Spannungsquellen in Serie miteinander verbunden. Mit einem solchen Aufbau, selbst in dem Fall, wo der Ausgang einer jeden Spannungsquelle durch eine Entladung kurzgeschlossen wird, wird die Wahrscheinlichkeit groß, daß ein Entladestrom nur über eine Spannungsquelle geleitet wird, was eine Schutzmaßnahme ermöglicht, um Entladungen entgegenzutreten. Weiterhin können mit diesem Aufbau Referenzpotentiale der Spannungsquelle zum Anlegen der Feldemissionsspannung, der Spannungsquelle zum Anlegen der Spannung an die Beschleunigungsspannung der ersten Stufe und der Spannungsquelle zum Versorgen der magnetischen Linse mit Strom, von einer Stelle abgeleitet werden, so daß das Verriegeln der Spannungsquellen miteinander einfach erreicht werden kann.

Wie aus dem Vorangegangenen ersichtlich, bleiben bei der vorliegenden Erfindung, selbst wenn sich die Feldemissionsspannung V₁ beim Gebrauch des Elektronenkanonen-Systems ändert (z. B. in dem Fall, wenn es erwünscht ist, einen Strahlstrom zu erhöhen), die Illuminierungsbedingungen, wie der Divergenzwinkel des Strahls und dessen Helligkeit unverändert. Wenn das Elektronenkanonen-System in einem Elektronenmikroskop oder dergleichen verwendet wird, kann eine ausgezeichnete Betriebsfähigkeit erzielt werden, da aufwendige Arbeitsschritte, wie das Nachstellen der Helligkeit, nicht benötigt werden. Ebenso können die Spannungsquellen kaum einen Schaden erleiden, selbst wenn eine Entladung auftritt. Weiterhin kann der Elektronenstrahl, der mit dem Elektronenkanonen-System mit Feldemission gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird, eine Helligkeit, die zweimal so groß ist wie die Helligkeit, die durch herkömmliche Elektronenkanonen-Systeme mit Feldemission erhalten wird und einen Strahlstrom, der 20mal so groß ist wie der Strahlstrom, der mit einem herkömmlichen System erhalten wird.

Claims (6)

1. Elektronenkanonen-System mit Feldemission aufweisend:
eine Feldemissionselektronenquelle (5);
eine Feldemissionselektrode (6) zum Extrahieren der Elektronen;
eine elektromagnetische Linse (1, 2, 4, 6, 7, 8), die einen magnetischen Spalt zwischen der Feldemissionselektronenquelle und der Feldemissionselektrode hat oder eine magnetische Linse, die einen magnetischen Pol (6) hat, der auch als Feldemissionselektrode dient;
eine Beschleunigungselektrodenanordnung, die wenigstens zwei Stufen von Beschleunigungselektroden (10 bis 13) zum Beschleunigen der Elektronen aufweist;
eine Stromsteuereinrichtung (24) zum Verändern des Magnetisierungsstromes I für die magnetische Linse in Abhängigkeit von einer Spannung V₁, die zwischen der Feldemissionselektronenquelle und der Feldemissionselektrode angelegt ist, so daß IN/ einen vorbestimmten Wert annimmt, wobei N die Anzahl der Windungen der magnetischen Linse ist; und
Spannungssteuereinrichtung (24) zum Verändern einer Spannung V₂, die zwischen der Feldemissionselektronenquelle und der Beschleunigungselektrode (10) der ersten Stufe der Beschleunigungselektrodenanordnung angelegt ist, in Abhängigkeit von der Spannung V₁, die zwischen der Feldemissionselektronenquelle und der Feldemissionselektrode angelegt ist, so daß V₂/V₁ einen vorbestimmten Wert annimmt.

2. Elektronenkanonen-System mit Feldemission nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relationen 4 mm D₁ 10 mm, D₁D₂20 mm und D₁LD₂ erfüllt sind, wobei D₁ der Durchmesser eines Loches eines magnetischen Poles (6) der magnetischen Linse auf ihrer Elektronenstrahl-Einfallseite ist, D₂ der Durchmesser eines magnetischen Poles (7) der magnetischen Linse auf ihrer Elektronenstrahl-Austrittseite ist und L die Spaltlänge zwischen den magnetischen Polen in dem Elektronenstrahlpfad ist.

3. Elektronenkanonen-System mit Feldemission nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert von IN/ in einem Bereich von 7 bis 12 und der Wert von V₂/V₁ in einem Bereich von 5 bis 10 liegt.

4. Elektronenkanonen-System mit Feldemission nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand zwischen der Feldemissionselektronenquelle (5) und einem Elektronenstrahl-durchlässigen Loch, das in dem unteren magnetischen Pol (7) der magnetischen Linse oder einer Oberfläche der Feldemissionselektrode, die der Beschleunigungselektrode der ersten Stufe gegenüberliegt, gebildet ist, nicht größer als 20 mm ist.

5. Elektronenkanonen-System mit Feldemission nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsquelle (22) zum Anlegen einer Spannung zwischen der Feldemissionselektronenquelle (5) und der Feldemissionselektrode (6), eine Spannungsquelle (23) zum Anlegen einer Spannung an die Beschleunigungselektrode (10) der ersten Stufe und eine Spannungsquelle (25) zum Anlegen von Spannungen an die Beschleunigungselektroden der zweiten Stufe bis zur letzten Stufe (11 bis 13) der Beschleunigungselektrodenanordnung, in Serie miteinander verbunden sind und eine Linsenspannungsquelle (21) zum Versorgen der magnetischen Linse mit einem Strom auf dem gleichen Potential wie die Feldemissionselektrode erdfrei liegt.

6. Elektronenkanonen-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die elektromagnetische Linse (1, 2, 4, 6, 7, 8) ein virtuelles Bild der Feldemissionselektronenquelle (5), das vier- bis zehnmal so groß ist die wie Feldemissionselektronenquelle (5), gebildet wird und daß durch die von der Feldemissionselektrode (6) und den Beschleunigungselektroden (10 bis 13) gebildete elektrostatische Linse ein reales Bild der Feldemissionselektronenquelle (5), das 0,3- bis dreimal so groß ist wie das virtuelle Bild, gebildet wird.