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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Betreiben einer Elektronenquelle, die in einer in der Praxis
verwendeten Vorrichtung, bei der ein Elektronenstrahl
verwendet wird, wie einem Elektronenmikroskop oder einem
Elektronenstrahl-Lithographiegerät, verwendet wird.
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In den letzten Jahren wurde eine Elektronenquelle mit
Oberflächendiffusion als eine neue Elektronenquelle in die
praktische Verwendung eingeführt. Diese Quelle wird durch
Adsorbieren einatomiger Schichten von Zr, Ti, Hf oder
dergleichen und von Sauerstoffatomen an der Oberfläche einer
einkristallinen Spitze aus einem Refraktärmetallmaterial, wie
Wolfram (W) oder Molybdän (Mo), hergestellt. Im allgemeinen
wird diese neue Elektronenquelle in der nun beschriebenen
Weise hergestellt. Eine einkristalline W-Nadel mit einer
gegebenen kristallographischen Orientierung wird mit dem
oberen Teil eines Haarnadel-Glühfadens aus W verbunden. Die
Spitze dieser einkristallinen Nadel wird durch
elektrolytisches Polieren geschärft. Eine pulverförmige
Wasserstoffverbindung, wie hydriertes Zr, wird zwischen den Haarnadel-
Glühfaden aus W und die einkristalline Nadel geklebt und in
einer Vakuumumgebung mit einem Partialdruck von Sauerstoffgas
wärmebehandelt, um die Diffusion von Zr oder dergleichen zu
fördern. Auf diese Weise werden Adsorptionsschichten von Zr
und 0 in der gegebenen kristallographischen Kristallebene an
der Spitze des Einkristalls gebildet (US-A-4 324 999). Wenn
diese Elektronenquelle in einem Schwachfeldbereich verwendet
wird, in dem keine Feldemission auftritt, spricht man von
Schottky-Emission. Zr/O/W wurde für diese Elektronenquelle
praktisch eingesetzt (J. of Vac. Sci. Technol. B3 (1), 1985,
S. 220)). Eine Steuerelektrode (im allgemeinen als eine
Unterdrückungselektrode bezeichnet) und eine
Extraktionselektrode werden zu dieser Elektronenquelle hinzugefügt,
wodurch eine Elektronenkanone gebildet wird. Eine
Grundstruktur dieser Kanone ist in Fig. 1 dargestellt (eine
ähnliche Kanone ist in EP-A-0 696 043 offenbart). In dieser
Figur sind eine mit 1 bezeichnete einkristalline Nadel aus W
(100), ein Haarnadel-Glühfaden 2 aus polykristallinem W, ein
Anschluß 4 aus Edelstahl oder dergleichen, an den der
Glühfaden 2 punktgeschweißt ist, und ein Keramikisolator 5
dargestellt. Eine Oxidquelle 3 aus Zr mit einer niedrigeren
Austrittsarbeit als die einkristalline Nadel 1 aus W ist
entweder in der Mitte oder an der Basis der einkristallinen
Nadel 1 oder am Glühfaden 2 angebracht. Diese Oxidquelle 3
wird auf etwa 1500 K bis 1900 K erwärmt, um eine thermische
Diffusion entlang der einkristallinen Nadel 1 bis zu ihrer
Spitze zu induzieren. Das zur Spitze der einkristallinen
Nadel 1 diffundierte (Zr)-Metalloxid bildet eine einatomige
Zr-Schicht zusammen mit Sauerstoff an der Spitze der
einkristallinen Nadel 1. Dabei wird die Schicht vorzugsweise
durch Adsorption an der Oberfläche, an der die
Oberflächendiffusion aufgetreten ist, und auch an der bestimmten
Kristallebene (100) mit einer höheren Aktivierungsenergie
gebildet. Falls eine einkristalline Nadel verwendet wird, bei
der die (100)-Kristallebene die Spitze der einkristallinen
Nadel 1 bildet, kann nur das axiale Ende der einkristallinen
Nadel 1 eine niedrige Austrittsarbeit behalten. Folglich kann
an dieser Stelle eine hohe Dichte des
Elektronenemissionsstroms erhalten werden. Eine Unterdrückungselektrode 6
unterdrückt Thermoelektronen aus dem auf 1500 K bis 1900 K
erwärmten Haarnadel-Glühfaden aus W. Eine
Extraktionselektrode 7 dient der Erzeugung von Schottky-Emission
(nachfolgend als SE abgekürzt) durch Anlegen eines
elektrischen Felds an die Spitze des Einkristalls. Die durch die SE
auf die Spitze wirkende Feldintensität ist viel geringer als
bei der Feldemission. Dementsprechend sind die emittierten
Elektronen Thermoelektronen und enthalten keine Tunnelelektronen.
Dies bedeutet, daß keine Änderungen des
Emissionselektronenstroms auftreten, die bei
Feldemissionselektronen stets stattfinden. Daher wird ein recht stabiler
Emissionselektronenstrom erhalten. Weiterhin ist die
Arbeitstemperatur niedriger als bei einer normalen
Glühemissionsquelle, wie einer LaB6- oder W-Haarnadel, so daß die
Energieverbreiterung des emittierten Elektronenstroms verringert
werden kann.
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Die Stärke des von der vorstehend beschriebenen SE-
Elektronenquelle emittierten Elektronenstroms hängt von der
Feldintensität an der Spitze der Nadel ab, wie in der
vorstehend zitierten Literatur beschrieben ist. Es ist daher
allgemein üblich, die Stärke des Elektronenstrahls durch die
an die Extraktionselektrode angelegte Extraktionsspannung
einzustellen, wie beispielsweise in US-A-5 449 968 offenbart
ist, wovon der Oberbegriff des Anspruchs 1 abgeleitet ist.
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Wenn die Extraktionselektrode jedoch geändert wird,
treten Probleme, wie eine Fehljustierung der optischen Achse,
auf.
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Der Zwischenraum zwischen der Steuerelektrode und der
Nadelspitze und der Zwischenraum zwischen der Steuerelektrode
und der Extraktionselektrode sind recht gering, wie aus
Fig. 1 ersichtlich ist. Es ist daher erwünscht, die Werte
der an diese Elektroden angelegten Spannungen zu verringern.
Bei der Elektronenkanonenstruktur aus dem Stand der Technik
kann die Stärke des Elektronenstrahls jedoch nur in einem
schmalen Bereich eingestellt werden. Weiterhin sind die an
die Elektroden angelegten Spannungen hoch, so daß leicht eine
elektrische Entladung auftritt. Hierdurch kann eine
Beschädigung der Nadelspitze hervorgerufen werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
ein Verfahren zum Betreiben einer Elektronenquelle
bereitzustellen, wodurch die vorhergehend erwähnten Probleme gelöst
werden können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorstehend erwähnte Aufgabe wird durch ein Verfahren
zum Betreiben einer Elektronenquelle nach Anspruch 1 gelöst.
Die Ansprüche 2 und 3 beziehen sich auf bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung.
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Dieses Verfahren wird aus den folgenden Gründen
verwendet.
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Die optische Achse wird in geringerem Maße geändert, und
es werden größere Vorteile erhalten, indem die an die
Steuerelektrode angelegte Steuerspannung eingestellt wird,
statt daß die Stärke des Elektronenstrahls durch die
Extraktionsspannung eingestellt wird. Das heißt, daß
idealerweise jede verwendete Stärke des Elektronenstrahls
eingestellt werden kann, indem die Steuerspannung bei einem
gegebenen festgelegten Wert der Extraktionsspannung geändert
wird.
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Die Feldintensität an der Spitze der SE-Nadel hängt vom
Aufbau der Elektronenquelle selbst ab.
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Wie in J. Appl. Phys., Band 44, Nr. 5, 1973, S. 2140 -
2148 beschrieben ist, beeinflussen zwei Parameter, nämlich
der Kegelwinkel (2ß) und der Krümmungsradius r, die
Feldintensität.
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In Fig. 2 sind REM-Bilder der Spitzen von zwei Arten
gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendeter Nadeln
dargestellt. Die Vergrößerung ist bei beiden Bildern 10 000.
In Fig. 2(a) ist eine herkömmliche Nadel mit einem
Kegelwinkel (2ß) von 26 Grad und einem Krümmungsradius (r)
von 0,55 um dargestellt. Fig. 2(b) ist ein REM-Bild der
Spitze einer neuartigen Nadel. Diese weist einen Kegelwinkel
(2ß) von 8 Grad und einen Krümmungsradius (r) von 0,30 um
auf. Gemäß der vorstehend zitierten Literatur kann die
Feldintensität erhöht werden, indem beide Parameter so klein
wie möglich gemacht werden. Auf diese Weise kann selbst bei
einer geringen Extraktionsspannung eine hohe Feldintensität
erzeugt werden. In der vorstehend erwähnten Literatur ist die
Wirkung der Steuerspannung jedoch nicht erwähnt. Unser
Experiment hat gezeigt, daß das elektrische Feld, das durch
die an die Steuerelektrode angelegte Steuerspannung erzeugt
wird, vergrößert wird, wenn die beiden Parameter verkleinert
werden.
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Daher kann beim vorstehend erwähnten Aufbau die Änderung
der Feldintensität an der Spitze der Nadel je Einheit der
Spannungsänderung größer als bisher gemacht werden.
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Die vorliegende Erfindung kann ein Verfahren zum
Betreiben einer Elektronenquelle bereitstellen, wobei der
ganze Bereich der verwendbaren Elektronenstrahlstärken bei
einem festgelegten Wert der Extraktionsspannung durch
Anpassen der Steuerspannung abgedeckt werden kann. Ein
Elektronenstrahl-Lithographiegerät kann mit dieser
Elektronenquelle ausgerüstet werden.
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Die von der SE-Elektronenquelle emittierte Stromdichte J
ist durch die folgende Gleichung gegeben, wobei T die
Temperatur der Nadel, φ die Austrittsarbeit, a eine
Konstante, F die Feldintensität und k eine Konstante ist.
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J = 120 T²e(-(φ-a F)/kT) (A / cm²) (1)
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Wie aus der vorstehenden Gleichung ersichtlich ist, hängt
die Emissionsstromdichte von der Temperatur T der Nadel, der
Austrittsarbeit φ der emittierenden Oberfläche und der
Feldintensität F an der Spitze der Nadel ab. Diese
Feldintensität F hängt vom Kegelwinkel der Spitze selbst und
vom Krümmungsradius ab. Die Feldintensität F hängt auch von
dem Raum zwischen der SE-Nadel und der Extraktionselektrode
ab. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist der Raum zwischen der
SE-Nadel und der Extraktionselektrode recht klein, so daß es
schwierig ist, den Raum weiter einzustellen. Daher kann der
Bereich der Änderungen der Feldintensität an der Spitze der
Nadel, die hervorgerufen werden, wenn die Steuerspannung in
einem gewünschten Bereich geändert wird, vergrößert werden,
indem der Kegelwinkel und der Krümmungsradius angepaßt
werden.
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Es ist bekannt, daß die Emission eines Elektronenstrahls
durch einfaches Schärfen der Spitze erleichtert wird. Die
vorliegende Erfindung sieht eine neuartige Kombination einer
auf weniger als 15 Grad geschärften
Schottky-Emissionselektronenquelle und eines Verfahrens zum Steuern der Stärke
des Elektronenstrahls durch an die Steuerelektrode angelegte
Steuerspannungen vor. Hierdurch wird der Bereich der
ansprechend auf Änderungen der Steuerspannung erhaltenen
Sondenströme vergrößert. Daher können die Arten der an die
Extraktionselektrode angelegten Spannungen auf ein Minimum
verringert werden.
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Falls ein gewünschter Spannungseinstellungsbereich
innerhalb des einstellbaren Bereichs der Steuerelektrode nicht
erhalten werden kann, ist es erforderlich, einen gewünschten
einstellbaren Bereich von Sondenströmen durch Einstellen der
Extraktionsspannung zu gewährleisten. Wenn die
Extraktionsspannung jedoch geändert wird, müssen andere Parameter mühsam
angepaßt werden. Weiterhin tritt eine Fehljustierung der
optischen Achse auf. Wenn diese und andere Nachteile
berücksichtigt werden, besteht das ideale Verfahren darin, einen
gewünschten Sondenstrombereich mit einem einzigen
festgelegten Wert der Extraktionsspannung zu gewährleisten. Dies
beruht auf der Voraussetzung, daß die optische Achse oder die
Position der virtuellen Lichtquelle nicht durch Änderungen
der Steuerelektrodenspannung geändert wird.
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Wie bisher beschrieben wurde, kann der Bereich der
Änderungen der Stärke des von der Elektronenquelle
emittierten Elektronenstrahls für eine gegebene Änderung der
Steuerspannung durch Einstellen des Kegelwinkels und des
Krümmungsradius und auch durch Einstellen der Stärke des
Elektronenstrahls durch die Steuerelektrode vergrößert
werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer
SE-Elektronenquelle,
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Fig. 2 zeigt Elektronen-Mikrobilder bei verschiedenen
Kathoden,
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Fig. 3 ist ein Diagramm, in dem ein Testgerät für
neuartige Nadelspitzen und die Nadelspitzen aus dem Stand der
Technik dargestellt ist, und
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Fig. 4 ist eine Graphik, in der neuartige Nadelspitzen
mit Nadelspitzen aus dem Stand der Technik verglichen sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend beschrieben. Fig. 3 ist eine auf ein Ultrahochvakuum
evakuierte Testvorrichtung, die zum Beurteilen von SE-
Elektronenkanonen verwendet wird. Sie besteht aus einem
Elektronenkanonenabschnitt und einem evakuierten
Rahmenabschnitt. Die Vorrichtung beurteilt die Eigenschaften
zahlreicher Kanonen, wobei der Elektronenkanonenabschnitt
ausgetauscht wird. Zuerst wird der Elektronenkanonenabschnitt,
in dem eine SE-Nadel installiert ist, im evakuierten
Rahmenabschnitt angeordnet und auf ein Ultrahochvakuum evakuiert.
Daraufhin wird ein Haarnadel-Glühfaden von einer
Konstantstromquelle Vf mit elektrischer Leistung versorgt, um ihn zu
erwärmen. Die Temperatur der SE-Nadel wird bei einer
gewünschten konstanten Temperatur zwischen 1600 K und 1800 K
gehalten.
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Eine positive Spannung wird von einer Quelle Ve einer
hohen Gleichspannung an die Extraktionselektrode angelegt,
wodurch von der Spitze der SE-Nadel SE-Elektronen emittiert
werden. Eine negative Spannung wird von einer
Gleichspannungsquelle Vs an die Steuerelektrode oder
Unterdrückungselektrode angelegt. Hierdurch wird verhindert, daß die
Elektronen den Elektronenweg verlassen.
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Wie dargestellt ist, erreicht der größte Teil der
emittierten SE-Elektronen eine Blendenplatte, während ein
Teil einen Faraday-Becher erreicht. Zu dieser Zeit wird die
Energie durch die Quelle Va einer hohen Gleichspannung
bestimmt. Im Fall eines Längenmessungs-REMs wird eine
niedrige Beschleunigungsspannung von weniger als 1 kV
verwendet. Die auf den Faraday-Becher fallenden SE-Elektronen
bilden einen Sondenstrom, der tatsächlich in einem
Elektronenmikroskop oder einem anderen Instrument verwendet wird,
bei dem ein Elektronenstrahl eingesetzt wird. Der
Öffnungswinkel liegt in der Größenordnung einiger mrad. Es wird ein
Strom von einigen pA bis einigen Hundert pA erhalten. Die an
die Extraktionselektrode angelegte Extraktionsspannung Ve
wird konstant gehalten. Die Steuerspannung wird über einen
bestimmten Bereich geändert. Es wird der sich ergebende
Sondenstrom gemessen.
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Auf diese Weise wird die Elektronenstrahlstärke
entsprechend dem Wert der für die Steuerspannung verwendeten
negativen Spannung gesteuert. Hierdurch wird es unnötig, die
Elektronenstrahlstärke durch die Extraktionsspannung zu
steuern. Weil die Extraktionsspannung festgelegt werden kann,
kann die Stärke des Elektronenstrahls ohne Herbeiführen einer
axialen Fehljustierung leicht eingestellt werden.
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Wenn die Extraktionsspannung geändert wird, ändert sich
im allgemeinen das Verhältnis zwischen der
Extraktionsspannung und der Beschleunigungsspannung. Daher wird die
Position der optischen Achse durch die Wirkung der
elektrostatischen Linse geändert. Folglich tritt eine axiale
Fehljustierung auf.
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Angesichts des vorhergehend Erwähnten wird die
Steuerspannung gemäß der vorliegenden Ausführungsform geändert,
während die Extraktionsspannung konstant gehalten wird.
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Angesichts der vorhergehend erwähnten Tatsachen wurden
die vorstehenden Messungen unter Verwendung von zwei
Nadelspitzen mit unterschiedlichen Kegelwinkeln und
unterschiedlichen Krümmungsradien ausgeführt, wie in Fig. 2
dargestellt ist.
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Die Ergebnisse sind in Fig. 4 dargestellt. Die
Steuerspannung wurde über einen Bereich von 100 V bis 900 V
geändert. Es ist aus Fig. 4 ersichtlich, daß sich der
Sondenstrom bei der Nadelspitze aus dem Stand der Technik
oder der alten Nadelspitze von 22 pA bis 57 pA änderte und
daß sich der Strom bei der neuartigen oder neuen Nadelspitze
über einen recht breiten Bereich von 2,3 pA bis 67 pA
änderte. Die Extraktionsspannung Ve betrug 1,5 kV, was
kleiner ist als bei der Nadelspitze aus dem Stand der
Technik.
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Wie bisher beschrieben wurde, kann die
Extraktionsspannung durch Verwenden der neuartigen Elektronenkanone
verringert werden. Weiterhin ist der Bereich vergrößert, in
dem sich der Sondenstrom ansprechend auf eine gegebene
Änderung der Steuerspannung ändert. Auf diese Weise hängt der
Änderungsbereich des Sondenstroms für eine gegebene Änderung
der Steuerelektrodenspannung vom Kegelwinkel und auch vom
Krümmungsradius ab.
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Weiterhin müssen bei Rasterelektronenmikroskopen jene
Instrumente, die Halbleiter behandeln, aus den folgenden
Gründen den Sondenstrom verringern, damit sie weniger durch
Aufladungen und Verunreinigungen beeinflußt werden. Die Größe
des Sondenstroms ist proportional zur Häufigkeit des
Auftretens des Aufladens und stört das Bild der Probe. Eine
Verunreinigung ruft ein ähnliches unerwünschtes Phänomen
hervor. Folglich ist ein minimaler Strom von weniger als 10
pA erforderlich. Wir haben Experimente ausgeführt, um diesen
minimalen Strom zu finden, und herausgefunden, daß ein Betrag
des Strahlstroms, der die vorstehend beschriebenen
Bedingungen erfüllt, erzielt wird, wenn eine Nadelspitze mit
einem Kegelwinkel von 15 Grad und einem Krümmungsradius von
0,5 um verwendet wird. Wenn der Kegelwinkel 15 Grad
übersteigt (Linie A aus Fig. 4), übersteigt der minimale
Strom 10 pA. Hierdurch werden die vorstehend beschriebenen
gewünschten Bedingungen nicht erfüllt.
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Falls die Elektronenquelle dementsprechend bei einem
diesen unterschreitenden Kegelwinkel gebaut wird, kann der
Sondenstrombereich an die vorstehend beschriebenen
Bedingungen angepaßt werden. Es ist jedoch eine hochentwickelte
Technik erforderlich, um die Spitze zu schärfen. Mit der
heutigen Formungstechnologie kann die Spitze nur bis zu 5-6
Grad geschärft werden.
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Falls der Krümmungsradius der Spitze auf einen größeren
Wert als 0,5 um gelegt wird, ist es schwierig, eine Schottky-
Emission herbeizuführen, und der erwähnte Strahlstrombereich
kann daher nicht erhalten werden. Falls der Krümmungsradius
auf einen kleineren Wert als 0,2 um gelegt wird, macht die
Feldemission den Strahl instabil.
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Die vorstehend erwähnte Ausführungsform wird
verwirklicht, um eine SE-Elektronenquelle zu betreiben. Es ist
offensichtlich, daß sich ähnliche Vorteile bei einer
Elektronenkanone ergeben, bei der der Sondenstrom ebenso wie
vorstehend erwähnt durch eine Steuerspannung geändert wird.
Die Erfindung kann beispielsweise unter Verwendung von
Steuerelektroden auf eine TFE-Elektronenquelle, eine CFE-
Elektronenquelle usw. angewendet werden.
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Weiterhin ist die vorliegende Erfindung allgemein auf
jede Vorrichtung anwendbar, die eine solche Elektronenquelle
aufweist. Die Erfindung kann mit einem ähnlichen Nutzeffekt
auf ein Rasterelektronenmikroskop, ein
Transmissionselektronenmikroskop, ein Elektronenstrahl-Lithographiesystem usw.
angewendet werden.
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Das Experiment hat gezeigt, daß es im Fall des Anwendens
einer Elektronenquelle, die wie in der erläuterten
Ausführungsform beschrieben betrieben wird, auf eine einen
Elektronenstrahl emittierende Vorrichtung erforderlich ist,
die Spitze der Kathode auf weniger als 15 Grad zu legen, um
den Vorteil der Erfindung zu erzielen, daß der erforderliche
Bereich von Sondenströmen mit einer einzigen
Extraktionsspannungseinstellung erhalten wird.
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Bei einer Elektronenkanone, bei der eine
SE-Elektronenquelle verwendet wird, die gemäß der vorliegenden Erfindung
betrieben wird, vergrößert sich der erhaltene Bereich der
Sondenströme für eine gegebene Änderung der Steuerspannung.
Daher kann die Stärke des Elektronenstrahls mit einer
einzigen Extraktionsspannungseinstellung über einen breiten
Bereich festgelegt werden. Folglich kann der erforderliche
Bereich von Sondenströmen erhalten werden, ohne die
Extraktionsspannung zu ändern. Weil die Extraktionsspannung
konstant gehalten werden kann, kann eine axiale
Fehljustierung infolge Änderungen der Extraktionsspannung
verhindert werden. Weiterhin nimmt der Wert der
Extraktionsspannung selbst ab. Daher wird eine elektrische
Entladung verhindert, die die Nadel beschädigen würde. Dies
trägt zur Stabilität der Elektronenkanone bei.