NL7908479A

NL7908479A - ELECTRON RADIUS TUBE.

Info

Publication number: NL7908479A
Application number: NL7908479A
Authority: NL
Original assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1972-08-17
Filing date: 1979-11-21
Publication date: 1980-03-31
Also published as: JPS49132975A; DE2366144C2; US3809899A; CA1031080A; GB1433944A; NL7311344A; GB1433945A; JPS5661960U; FR2199613A1; JPS54161263A; FR2199613B1; DE2341377A1; FR2214962B1; JPS557661B2; FR2214962A1

Description

*« - 1 -* «- 1 -

Elektronenstraalbuis.Electron beam tube.

De uitvinding heeft betrekking op een elektronenstraalbuis, bijvoorbeeld voor een aftastmicroscoop.The invention relates to an electron beam tube, for example for a scanning microscope.

In aftastelektronenmicroscopen is tot nu toe op grote schaal gebruik gemaakt van kathoden met gloeidraad voor het 5 leveren van een elektronenstraal. Deze kathoden met gloeidraad hebben evenwel het nadeel van een korte levensduur en grote afmetingen, terwijl zij een straal van relatief lage elektronen-optische helderheid leveren. Bij een dergelijke kathode zullen elektronen, die vanaf een groot 10 oppervlaktegebied met verschillende snelheden thermisch worden losgemaakt resulteren in een brede elektronenbundel met een relatief lage gemiddelde energie en een zeer lage stroomdichtheid. Teneinde de verwarmde kathode geschikt te maken voor praktisch gebruik in een aftastelektronen-15 microscoop moet worden voorzien in een nauwkeurig en kostbaar lenzenstelsel, dat in het gunstigste geval een compromis vormt, daar niet alle van de belangrijkste nadelen kunnen worden geëlimineerd.Scanning electron microscopes have hitherto widely used filament cathodes to provide an electron beam. However, these filament cathodes have the disadvantage of short life and large dimensions, while providing a beam of relatively low electron-optical clarity. With such a cathode, electrons that are thermally detached from a large surface area at different rates will result in a wide electron beam with relatively low average energy and very low current density. In order to make the heated cathode suitable for practical use in a scanning electron microscope, it is necessary to provide an accurate and expensive lens system, which is at best a compromise, as not all of the major drawbacks can be eliminated.

Tot nu toe zijn vele pogingen gedaan voor het verkrijgen 20 van een stabiele werking en aanvaardbare levensduur van een veldemissiekathode. Een ernstig nadeel daarbij is dat deze zich moeten bevinden in een zeer goed vacuum teneinde beschadiging ten gevolge van ionenbombardement tot een minimum te beperken. Ook moet de invloed van het terecht komen van 25 moleculen op het emissie-oppervlakgebied en het verminderen van de werking tot een minimum worden beperkt teneinde de kans te verkleinen, dat een dergelijke hoge emissie plaatselijk wordt voortgebracht zodat een vacuumboog met een vernielende werking optreedt. Eén methode voor het beperken van deze 30 invloeden is het verhitten van de veldemissiekathode. Bij hogere temperaturen worden de atomen in het emitterende oppervlakgebied beweeglijker en worden dus minder verstoord door ionenbotsing. Dienovereenkomstig blijft de geometrie van het uiteinde van de veldemissiekathode gemakkelijker 35 behouden. Tegelijkertijd wordt de verblijftijd van op het oppervlak terechtkomende moleculen verlaagd, waardoor de kans op het vormen van een vacuumboog wordt verkleind.Many attempts have so far been made to obtain stable operation and acceptable lifetime of a field emission cathode. A serious drawback here is that they must be in a very good vacuum in order to minimize damage from ion bombardment. Also, the influence of the deposition of molecules on the emission surface area and the reduction of the activity must be minimized in order to reduce the chance that such a high emission will be locally produced so that a vacuum arc with destructive action occurs. One method of limiting these influences is heating the field emission cathode. At higher temperatures, the atoms in the emitting surface region become more mobile and are thus less disturbed by ion collision. Accordingly, the geometry of the end of the field emission cathode is more easily retained. At the same time, the residence time of surface-depositing molecules is reduced, reducing the chance of a vacuum arc forming.

790 8 4 79 * ’ ‘i - 2 -790 8 4 79 * "i - 2 -

Gebleken is, dat voor bet verschaffen van bruikbare stroomenergieniveau1s vanuit de verwarmde emittor een boog elektrisch veld nodig is (zie bet Amerikaanse octrooischrift No. 2.916.6681. Het continu aanbrengen van een boog 5 elektrisch veld op een verwarmde emittor bleek evenwel praktisch onaanvaardbaar wegens de hieruit voortvloeiende deformatie van de top, in vakkringen bekend onder de naam "build-up", wat leidt tot instabiliteit en elektrische doorslag. Om deze redenen is op ruimte schaal gebruik gemaakt 10 van een pulserende sturing van deze emittors, doch het aanbrengen van een hoog elektrisch veld is gewoonlijk beperkt tot relatief korte tijdsperioden, waarna het nodig is om de geometrievorm van de top te herstellen door middel van verwarmen of "flitsen" (flashing).It has been found that to provide usable current energy levels from the heated emitter, an arc electric field is required (see U.S. Patent No. 2,916,6681. However, continuously applying an arc 5 electric field to a heated emitter has been found to be practically unacceptable because of the resulting deformation of the top, known in professional circles as "build-up", which leads to instability and electrical breakdown For these reasons, a pulsating control of these emitters has been used on a large scale, but the application of a high electric field is usually limited to relatively short periods of time, after which it is necessary to restore the geometry of the top by heating or "flashing".

15 Verder is experimenteel gebleken, dat een smalle bundel van hoge stroomdichtheid kan worden voortgebracht vanuit een kristallijne plaat volgens Miller indices 1, 0, 0, kortweg aangeduid als 100-plaat, gevormd uit een materiaal met een cubische kristalstructuur zoals wolfraam of molybdeen. 20 Gebleken is evenwel, dat de werking onstabiel werd en bij lang gebruik gewoonlijk een beschadiging van de emittortop optrad als gevolg van een ontstane vacuumboog (zie het artikel "Activation Energy for the Surface Migration of Tungsten in the Presence of a High-Electric Field" door 25 P.C. Bettler and F.M. Charbonnier in "Physical Review" deel 119, No. 1, 1 juli I960). Later werd een stabiele werking verkregen door aan de emittortop een laag van een tweede element met een geringere werkingsfunktie toe te voegen zoals zirkonium (zie het Amerikaanse octrooischrift No.Furthermore, it has been found experimentally that a narrow beam of high current density can be produced from a crystalline plate according to Miller indices 1, 0, 0, referred to simply as 100 plate, formed from a material with a cubic crystal structure such as tungsten or molybdenum. 20 However, it has been found that the operation became unstable and usually caused damage to the emitter tip during long use due to a vacuum arc created (see the article "Activation Energy for the Surface Migration of Tungsten in the Presence of a High-Electric Field" by 25 PC Bettler and FM Charbonnier in "Physical Review" Part 119, No. 1, July 1, 1960). Later, stable operation was obtained by adding to the emitter tip a layer of a second element with a lower operating function such as zirconium (see U.S. Pat.

3Q 3.374.386, F.M. Charbonnier e.a.]. Ook in dit geval was echter het elektronenstraalstroomniveau beperkt en de kathodelevensduur eveneens.3Q 3,374,386, F.M. Charbonnier et al.]. Also in this case, however, the electron beam current level was limited and the cathode life as well.

In een ander van toepassing zijnd artikel "Angular Confinement of Field Electron and Ion Emission" door 35 L.W. Swanson en L.C. Crouser in "Journal of AppliedIn another applicable article "Angular Confinement of Field Electron and Ion Emission" by 35 L.W. Swanson and L.C. Crouser in "Journal of Applied

Physics", deel 40, No. 12, november 1969, worden verder de eigenschappen beschreven van een wolfraamemittor met een thermisch veldopbouw en een 100-vlak, dat bekleed is met zirkonium. Aan het einde van dit artikel wordt 4Q er evenwel op gewezen, dat voor het verkrijgen van aanzien- 790 84 79 “ 3 ^ « * lijke stroomniveau1s vanuit kathoden met lage temperatuur een zeer hoog vacuum nodig is, alsook zeer schone elektronen-collec tie-oppervlakken.Physics, Vol. 40, No. 12, November 1969, further describes the properties of a tungsten emitter having a thermal field structure and a 100-face coated with zirconium. However, at the end of this article, 4Q is pointed out, that very high vacuum is required, as well as very clean electron collection surfaces, to obtain substantial current levels from low temperature cathodes.

Een ander ernstig probleem, dat optreedt bij aftast-5 elektronenmicroscopen waarbij gebruik wordt gemaakt van veldemissiekathoden, is dat het dikwijls noodzakelijk is, om toegang te verkrijgen tot het inwendige van de elek-tronenstraalbuis, bijv. wanneer een defekte kathode moet worden vervangen of wanneer de preparaattafel binnen de 10 inrichting moet worden verzorgd. Voor deze toegang tot de buis is het nodig, dat het vacuum wordt prijsgegeven, wanneer men de microscoop weer wenst te gebruiken een lange wachttijd met zich medebrengt voor het herstellen van het vacuum.Another serious problem that arises with scanning electron microscopes using field emission cathodes is that it is often necessary to access the interior of the electron beam tube, e.g. when a defective cathode needs to be replaced or when the preparation table must be maintained within the device. For this access to the tube it is necessary that the vacuum be released if one wishes to use the microscope again entails a long waiting time for the vacuum to be restored.

Hiertoe heeft de uitvinding nu een buisomhulsel 15 ontwikkeld met twee~kamers, namelijk een kathodekamer en een preparaatkamer, die op verschillende drukniveau's kunnen worden gehouden en waarbij het vacuumdrukniveau in de ene kamer kan worden opgeheven, terwijl dat in de andere kamer in stand gehouden blijft.To this end, the invention has now developed a tube casing 15 with two chambers, namely a cathode chamber and a preparation chamber, which can be held at different pressure levels and wherein the vacuum pressure level in one chamber can be lifted, while that is maintained in the other chamber .

20 Volgens de uitvinding is een verbeterde elektronen- straalbuis ontwikkeld, die geschikt is om te worden gebruikt in aftastelektronenmicroscopen, en gebruik gemaakt wordt van een thermische veldemissiekathode met veldopbouw (built-up), waarmede een in hoofdzaak.continue en stabiele 25 werking in een gematigde vacuumomgeving is verkregen.According to the invention, an improved electron beam tube has been developed which is suitable for use in scanning electron microscopes, and which uses a field-built thermal field emission cathode, which provides a substantially continuous and stable operation in a moderate vacuum environment is obtained.

In deze kathode zijn de tot nu toe onbereikbare eigenschappen van een hoge stroomdichtheid, een hoog energieniveau, een goede stabiliteit, geringe emittorafmetingen en een lange kathodelevensduur verenigd. Een dergelijke kathode kan 30 bijv. een levensduur van meer dan 1000 uur bereiken en een stroom van meer dan 200 yA trekken onder een hoek met de as van 10°. Verder kan bij deze kathode een vacuum worden gebruikt, die één of meer grootte-orden lager is dan die, welke vereist is voor de thans gebruikelijke veldemissie-35 kathoden, waardoor het mogelijk wordt gebruik te maken van een kleinere en minder kostbare vacuumpomp. Dit vergemakkelijkt het gebruik van een voorbewerkte kathode tezamen met een volledige ionenpomp in een vacuumgezogen buisomhulsel als een eenheidsstructuur. De juiste hoeveelheid warmte en 40 een hoog continu elektrisch veld worden in de juiste volg- 790 84 79 * '* - 4 - orde aangebracht teneinde de gewenste veldopbouw tot stand te brengen. Door bet veldopbouwgebied worden de elektronen vrijer geëmitteerd dan in elk ander gebied van de kristal-struktuur. Deze elektronen, die worden geëmitteerd vanuit 5 bet relatief kleine enkele kristallografische oppervlakgebied, dat overeenkomt met en loodrecht staat op de as van de kathode, levert aldus een elektronenstraal van zeer hoge helderheid. Verder is een dergelijk gedrag reproduceerbaar, zodat een dagelijks herhaalde werking in bijv. een aftast-10 elektronenmicroscoop kan worden vergemakkelijkt.This cathode combines the previously unattainable properties of a high current density, a high energy level, good stability, small emitter dimensions and a long cathode service life. For example, such a cathode can reach a life of more than 1000 hours and draw a current of more than 200 yA at an angle to the axis of 10 °. Furthermore, a vacuum can be used with this cathode, which is one or more orders of magnitude lower than that required for the currently customary field emission cathodes, making it possible to use a smaller and less expensive vacuum pump. This facilitates the use of a pre-processed cathode together with a full ion pump in a vacuum-drawn tube casing as a unitary structure. The correct amount of heat and a high continuous electric field are applied in the correct sequence to achieve the desired field build-up. The electrons are emitted more freely in the field-building region than in any other region of the crystal structure. These electrons, which are emitted from the relatively small single crystallographic surface area corresponding to and perpendicular to the axis of the cathode, thus provide an electron beam of very high brightness. Furthermore, such a behavior is reproducible, so that a daily repetitive operation in, for example, a scanning electron microscope can be facilitated.

Verder kan deze elektronenstraalbuis zodanig zijn uitgevoerd, dat het geëvacueerde omhulsel bestaat uit met elkaar in verbinding staande kamers, waarvan de ene kamer op de noodzakelijke lage druk wordt gehouden en de kathode 15 bevat, terwijl de andere kamer op een hoger drukniveau kan worden gehouden en de preparaattafel bevat. Deze kamers kunnen van elkaar worden geïsoleerd, Een communicatie tussen de kamers wordt gevormd door een kleine opening. Deze opening heeft een afmeting, enerzijds voldoende, klein, opdat het 20 drukverschil tussen de kamers kan worden in stand gehouden, anderzijds groot genoeg om de elektronenstraal door deze opening te laten gaan. Teneinde een snelle vervanging van de kathode mogelijk te maken, wordt de kamer, die de oude kathode bevat, vervangen door een tevoren op het juiste vacuum— 25 drukniveau gebrachte kamer, die een nieuwe kathode tezamen met een volledige ionenpomp bevat. Nadat de nieuwe kathode-kamer is aangebracht aan het andere deel van de buis, wordt een opening geponst door een metalen membraan in de kathode-kamer teneinde de elektronenstraal vanuit de kathode door te 30 laten naar de preparaatkamer. Het ponsmechanisme is ondergebracht in de montage-inrichting en het doorprikken kan plaatsvinden onder vacuum zonder dat hierbij het yacuumdruk-niveau op enigerlei wijze verloren gaat.Furthermore, this electron beam tube can be designed such that the evacuated envelope consists of interconnecting chambers, one chamber of which is kept at the necessary low pressure and containing the cathode 15, while the other chamber can be kept at a higher pressure level and contains the preparation table. These rooms can be isolated from each other. A communication between the rooms is formed by a small opening. This opening has a size, on the one hand sufficiently small, so that the pressure difference between the chambers can be maintained, on the other hand large enough to allow the electron beam to pass through this opening. In order to allow rapid replacement of the cathode, the chamber containing the old cathode is replaced with a chamber previously brought to the correct vacuum pressure level, which contains a new cathode together with a full ion pump. After the new cathode chamber is placed on the other part of the tube, an opening is punched through a metal membrane in the cathode chamber to allow the electron beam to pass from the cathode to the preparation chamber. The punching mechanism is housed in the mounting device and the piercing can take place under vacuum without losing the vacuum pressure level in any way.

De uitvinding maakt verder gebruik van een verbeterde 35 veldemissiekathode, waarmede de voordelen, die tot nu toe niet bereikbaar waren in een enkelvoudige veldemissiebron, zoals een continu of pulserende elektronenstraal met een geringe dwarsdoorsnede, een hoge stroomdichtheid en een relatief hoog stroomenergieniveau worden verenigd, terwijl 40 tegelijkertijd een goede stabiliteit, een reproduceerbaar 790 84 79 — 5 — < « prestatiegedrag, een lange kathodelevensduur en een werking in een gematigd vacuummilieu worden verschaft.The invention further utilizes an improved field emission cathode which unites the advantages not previously achieved in a single field emission source such as a continuous or pulsed electron beam of small cross section, high current density and relatively high current energy level, while 40 at the same time provide good stability, reproducible 790 84 79-5 performance performance, long cathode life and operation in a moderate vacuum environment.

De uitvinding beoogt bovendien te voorzien in een verbeterde aftastelektronenmicroscoop, waarin gebruik 5 is gemaakt van een thermische veldopbouwkathode.Another object of the invention is to provide an improved scanning electron microscope, in which use is made of a thermal field building cathode.

Een verder oogmerk van de uitvinding is een aftastelek-tronenmicroscoop te verschaffen, die kleiner en minder kostbaar is dan de tot nu toe bekende uitvoeringsvormen.A further object of the invention is to provide a scanning electron microscope which is smaller and less expensive than the embodiments known heretofore.

Ook beoogt de uitvinding te voorzien in een aftast-10 elektronenmicroscoop die bestaat uit een aantal kamers, die onder verschillende drukken kunnen werken en die scheidbaar kunnen zijn.It is also an object of the invention to provide a scanning electron microscope consisting of a number of chambers which can operate under different pressures and which can be separable.

De uitvinding beoogt tevens een onderhoud van de kathode of preparaattafel mogelijk te maken zonder hierbij 15 het vacuum van de gehele buis prijs te geven.It is also an object of the invention to enable maintenance of the cathode or preparation table without thereby giving up the vacuum of the entire tube.

Een ander oogmerk van de uitvinding is het op snelle wijze vervangen van de kathode te vergemakkelijken door een tevoren op het gewenste vacuumdrukniveau gebrachte kathodekamer te monteren en door een opening in een afsluit-20 membraandeel onder vacuum te ponsen teneinde de elektronen- straal door te laten.Another object of the invention is to facilitate rapid cathode replacement by mounting a cathode chamber previously brought to the desired vacuum pressure level and punching through an opening in a sealing membrane portion to allow the electron beam to pass through. .

Een verder oogmerk van de uitvinding is te voorzien in een tot een eenheid gevormde elektronenkanonconstructie, die een kathode en een vacuumpomp omvat, die gemonteerd 25 zijn in een buisvormig omhulsel, dat kan worden afgedicht, gebakken en tevoren worden vacuumgezogen tijdens het vervaardigingsproces teneinde een onmiddellijk gebruik te vergemakkelijken wanneer deze constructie-eenheid is ondergebracht in een aftastelektronenmicroscoop.A further object of the invention is to provide a unitary electron gun construction comprising a cathode and a vacuum pump mounted in a tubular envelope which can be sealed, baked and pre-vacuumed during the manufacturing process to provide an immediate facilitate use when this construction unit is housed in a scanning electron microscope.

30 Nog een verder oogmerk van de uitvinding is te voorzien in een kathode, die kan zijn voorbewerkt of opgebouwd alvorens te zijn ondergebracht in een aftastelektronen-microscoop.Yet a further object of the invention is to provide a cathode which may be pre-processed or built-up before being placed in a scanning electron microscope.

De uitvinding zal hieronder nader worden toegelicht 35 aan de hand van de tekening, waarin bij wijze van voorbeeld enige uitvoeringsvormen van de elektronenstraalbuis met de veldemissiekathode voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding zijn weergegeven. Hierin toont: fig. 1 schematisch een gunstige uitvoeringsvorm van een 40 TF veldemissiekathode met 100-vlak volgens de uitvinding, 790 84 79 *τ- 6L —- fig. 2 in perspectief de hoofdvlakken van een kern— gecentreerde cuhische kristalstruktuur, voorgesteld door de Miller-indices, waarbij deze struktuur georiënteerd is voor een emissie vanuit het 100-vlak, 5 fig. 3a, 3b en 3c een schematische voorstelling van de overgang van de elektronenemissie vanuit de 310-vlakken naar die vanuit het 100-vlak, fig. 4 shcematisch een gunstige uitvoeringsvorm van de elektronenstraalbuis volgens de uitvinding, 10 fig. 5 op vergrote schaal een doorsnede van een gedeel te van de elektronenstraalbuis met een gunstige uitvoeringswijze van de onderlinge verbinding tussen scheidbare kamers, fig. 5a een isometrische voorstelling van een gedeelte 15 van de inrichting volgens fig. 5, waarin een nokschijf, die in contact is met een ponsorgaan, is weergegeven, en fig. 6 op vergrote schaal een doorsnede van een gedeelte van de elektronenstraalbuis, waarin een tweede uitvoeringswijze van de verbinding tussen de scheidbare 20 kamers is weergegeven.The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing, in which, by way of example, some embodiments of the electron beam tube with the field emission cathode for carrying out the method according to the invention are shown. In the drawing: Fig. 1 schematically shows a favorable embodiment of a 40 TF field emission cathode with 100 plane according to the invention, 790 84 79 * τ-6L - Fig. 2 shows in perspective the main planes of a core-centered ceramic crystal structure, represented by the Miller indices, where this structure is oriented for an emission from the 100 plane, fig. 3a, 3b and 3c a schematic representation of the transition of the electron emission from the 310 planes to that from the 100 plane, fig. Fig. 4 schematically shows a favorable embodiment of the electron beam tube according to the invention, Fig. 5 is an enlarged cross-section of a part of the electron beam tube with a favorable embodiment of the interconnection between separable chambers, Fig. 5a is an isometric representation of a part 15 of the device of FIG. 5, showing a cam disc in contact with a punch, and FIG. 6 an enlarged sectional view of a portion 1 of the electron beam tube, showing a second embodiment of the connection between the separable chambers.

In de in fig. 1 weergegeven uitvoeringsvorm van de kathode volgens de uitvinding is een elektronenemitterend deel 1, dat hieronder verder zal worden aangeduid met veldemittortop, bevestigd aan een steungloeidraad 10, die 25 een kathode vormt. De veldemittortop 1 kan bestaan uit monokristallijn wolfraam, molybdeen of een dergelijk materiaal en zodanig zijn gevormd, dat het 100-vlak van de kern-gecentreerde cubische kristalroosterstruktuur is geplaatst in de top 2, die relatief stomp is, dat wil 30 zeggen een kromtestraal heeft in de grootte-orde van een tiende tot enige tienden microns, terwijl deze voor tot nu toe bekende kathoden ligt tussen 0,1 ταμ - 0,1 μ.In the embodiment of the cathode according to the invention shown in Fig. 1, an electron-emitting part 1, which will be further referred to below as field emitter tip, is attached to a support filament 10, which forms a cathode. The field emitter tip 1 may consist of monocrystalline tungsten, molybdenum or the like material and is formed such that the 100 plane of the core centered cubic crystal lattice structure is placed in the top 2, which is relatively blunt, ie has a radius of curvature in the order of a tenth to a few tenth microns, while for previously known cathodes it is between 0.1 ταμ - 0.1 μ.

De steungloeidraad 10 kan bestaan uit een U-vormig gebogen wolfraamdraad en de laatste 2½ mm draad in de onmiddellijke 35 nabijheid van de veldemittortop 1 wordt weggeëtst tot een geschikte diameter teneinde een verwarming tot een hoge temperatuur mogelijk te maken door een elektrische stroom door de draad te laten gaan. Deze stroom wordt toegevoerd vanuit een wisselstroombron 18 van lage spanning via een 4Q scheidingstransformator 5. De transformator 5 moet geschikt 790 84 79 « · - 7 - zijn om weerstand te bieden aan hoge spanningsverschillen tussen de primaire en secundaire wikkeling. Een negatieve hoge gelijkspanningsbron 20, die geschikt is tot het leveren van een gelijkstroom van enige tienden mA, is 5 aangesloten op de kathode. Een anode 8 is gewoonlijk, hoewel niet noodzakelijk geaard via een mA-meter 9, die gebruikt wordt voor het meten van de grootte van de emissie-stroom.The support filament 10 may consist of a U-shaped curved tungsten wire and the last 2½ mm wire in the immediate vicinity of the field emitter tip 1 is etched away to a suitable diameter to allow heating to a high temperature by an electric current through the wire to let go. This current is supplied from a low voltage alternating current source 18 through a 4Q isolation transformer 5. The transformer 5 must be suitably 790 84 79 7 to resist high voltage differences between the primary and secondary windings. A negative high DC voltage source 20, which is suitable for supplying a DC current of several tenths mA, is connected to the cathode. An anode 8 is usually, although not necessarily grounded through a mA meter 9, which is used to measure the magnitude of the emission current.

De in fig. 1 weergegeven veldemissie-elektronenbron 10 wordt bedreven in een gematigde- omgeving, hoewel een vacuum van 1 x 10 torr de voorkeur verdient, is een werking in een gering vacuum zoals van 1 x 10 torr mogelijk zoals hieronder zal worden uiteengezet. Allereerst wordt de emittortop 2 kortstondig verhit tot een tempe-15 ratuur van meer dan circa 2300°K, waarbij gebruik wordt gemaakt van een wisselstroombron. Door dit kortstondig verhitten (flashing) wordt de emittortop gereinigd van onzuiverheden. Vervolgens wordt de temperatuur van de veldemittortop 1 ingesteld op een temperatuur, die iets 20 boven de waarde ligt, waarbij de thermionische emissié begint, namelijk ongeveer 1900°K. Hierna wordt een negatieve hoge gelijkspanning aangelegd aan de veldemittortop 1 vanuit de bron 20. Deze spanning wordt verhoogd totdat een emissiestroom van 1-100 mA, al naar gelang de straal 25 van de top 2, wordt aangewezen op de mA-meter 9. Op dit tijdstip zal de top 2 gewoonlijk elektronen emitteren volgens de assen, die loodrecht staan op de kristallo-grafsische 310-vlakken. Hieronder volgt een uiteenzetting van de emissiewijze aan de hand van fig. 2 en 3a. Opgemerkt 30 wordt, dat soms andere emissiewijzen kunnen plaatsvinden.The field emission electron source 10 shown in Fig. 1 is operated in a moderate environment, although a vacuum of 1 x 10 torr is preferred, low vacuum operation such as 1 x 10 torr is possible as will be explained below. First of all, the emitter tip 2 is briefly heated to a temperature of more than about 2300 ° K, using an alternating current source. This brief heating (flashing) cleans the emitter tip of impurities. Then, the temperature of the field emitter tip 1 is adjusted to a temperature slightly above the value at which the thermionic emission begins, namely about 1900 ° K. After this, a negative high DC voltage is applied to the field emitter tip 1 from the source 20. This voltage is increased until an emission current of 1-100 mA, depending on the radius 25 of the top 2, is indicated on the mA meter 9. On at this time, the top 2 will usually emit electrons along the axes perpendicular to the 310 crystallographic planes. Below follows an explanation of the emission method with reference to Figs. 2 and 3a. It is noted that sometimes other emission modes can take place.

Wanneer de hoogspanning langzaam is toegenomen wordt aan de emittortop een elektrostatische veldgradiënt tot stand gebracht, wat resulteert in een opbouw, daar de kristal-struktuur van vorm begint te veranderen. De elektronen-35 emissie op dit punt is weergegeven in fig. 3b. Wanneer de gradiënt van het elektrostatische veld dan een voldoende grootte,gewoonlijk enige tientallen megavolt per centimeter, heeft bereikt, zal de kristalvorm aan de top 2 worden veranderd tot een punt, waar de elektronenemissie 40 overgaat naar het 100-vlak zoals in fig, 3c is weergegeven.When the high voltage has slowly increased, an electrostatic field gradient is established at the emitter tip, resulting in a build-up as the crystal structure begins to change shape. The electron emission at this point is shown in Figure 3b. Then, when the electrostatic field gradient has reached a sufficient size, usually several tens of megavolts per centimeter, the crystal shape at the top 2 will be changed to a point where the electron emission 40 transitions to the 100 plane as in Fig. 3c has been displayed.

790 8479 -=5-8-^790 8479 - = 5-8- ^

# V# V

Deze emissie-omkering zal gepaard gaan met een gelijktijdige aangroei van de totale emissiestroom. In dit stadium kan een stabiele continue emissie van ten minste 200 μΑ over een vaste hoek van 10° langs de as, loodrecht op het 100-5 vlak worden in stand gehouden door de temperatuur en de gradiënt van het elektrostatische veld op de laatstgenoemde waarden te houden.This emission reversal will be accompanied by a simultaneous growth of the total emission flow. At this stage, a stable continuous emission of at least 200 μΑ over a fixed angle of 10 ° along the axis, perpendicular to the 100-5 plane, can be maintained by adjusting the temperature and the gradient of the electrostatic field to the latter values. to keep.

Hoewel het gewenst is om de kathode gedurende een aanzienlijke tijdsperiode op een continue wijze te sturen, is 10 het mogelijk om de elektronenstraal van hoge stroomdichtheid uit te schakelen en op een later tijdstip te laten terugkeren met reproduceerbare resultaten teneinde aldus een intermitterende of pulserende werkingswijze te verkrijgen.While it is desirable to continuously drive the cathode for a considerable period of time, it is possible to turn off the high current density electron beam and return at a later time with reproducible results so as to provide an intermittent or pulsating mode of operation. to gain.

Een dergelijke intermitterende werking kan onder meerdere 15 als volgt worden verkregen:Such intermittent operation can be obtained under multiple 15 as follows:

Indien gebruik wordt gemaakt van een onderbreekbewerking, waarbij eerst de temperatuur wordt verlaagd tot de omgevingstemperatuur en vervolgens de hoogspanning wordt uitgeschakeld, zal de elektronenbundel direkt worden geëmitteerd 20 langs de kristallografische voorkeursas naar de volgende inschakelcyclus, waarbij de hoogspanning eerst wordt ingeschakeld, en vervolgens de kathode wordt verwarmd door het aanleggen van een lage spanning hieraan. Het blijkt dan, dat een pulserende werkingswijze kan worden verkregen door 25 enkel de temperatuur en de spanning te regelen, bijvoorbeeld door de hoge spanning in te schakelen even voordat de verwarmingsstroom wordt toegevoerd en vervolgens deze spanning aan te schakelen nadat de kathode tot een voldoende niveau is afgekoeld.If an interrupt operation is used, first lowering the temperature to the ambient temperature and then turning off the high voltage, the electron beam will be emitted directly along the preferred crystallographic axis to the next turn-on cycle, turning on the high voltage first, then cathode is heated by applying a low voltage to it. It then appears that a pulsating mode of operation can be obtained by only controlling the temperature and voltage, for example by turning on the high voltage just before the heating current is supplied and then turning on this voltage after the cathode reaches a sufficient level has cooled.

30 Hoewel in het bovenbeschreven geval gebruik werd gemaakt van een kathode met een thermische veldopbouw in het 100-vlak, zijn ook gunstige resultaten geboekt met een veldemissie-kathode met een thermische veldopbouw, waarbij de kristallografische voorkeursas loodrecht staat op het 31Q-vlak (Miller-35 indices}. Bij een kathode met een thermische veldopbouw in het 310-vlak kan namelijk evenzeer een stabiele en in hoofdzaak continue werking worden verkregen.Although a cathode with a thermal field construction in the 100 plane has been used in the above-described case, favorable results have also been achieved with a field emission cathode with a thermal field construction in which the preferred crystallographic axis is perpendicular to the 31Q plane (Miller -35 indices} For a cathode with a thermal field construction in the 310-plane, a stable and substantially continuous operation can likewise be obtained.

Pig. 4 toont een uitvoeringsvorm van de aftastelektronen-microscoop volgens.de uitvinding, waarin een 40 thermische veldopbouwemissiekathode 10 is geplaatst in een kamer /90 84 79 * - 9 - 12 van een geëvacueerd buisvormig omhulsel 14. Het buisvormige omhulsel 14 kan zijn gevormd uit glas, keramisch, materiaal of een dergelijk materiaal alsook uit metaal.Pig. 4 shows an embodiment of the scanning electron microscope according to the invention, in which a thermal field-building emission cathode 10 is placed in a chamber of an evacuated tubular envelope 14. The tubular envelope 14 may be formed of glass , ceramic, material or the like, as well as metal.

De kathodekamer 12 wordt op een hoog vacuumniveau van 5 1,0 x 10 ^ torr of hoger gehouden door een hoogvacuumpomp 16, die bij voorkeur in de kathodekamer is geplaatst.The cathode chamber 12 is maintained at a high vacuum level of 1.0 x 10 4 torr or higher by a high vacuum pump 16, which is preferably placed in the cathode chamber.

Een laagspanningsgelijkstroombron 18 en een boogspannings-gelijkstroombron 20 zijn aangebracht voor het besturen van de kathode 10 zoals boven beschreven.A low voltage direct current source 18 and an arc voltage direct current source 20 are provided for controlling the cathode 10 as described above.

10 Een tweede kamer 24, die overeenkomt met de preparaat- kamer in een aftastelektronenmicroscoop en die elektronen-straalafbuigelementen, alsmede een (niet nader weergegeven! preparaattafel bevat, wordt door een vacuumpomp 26 op een —5 —6 lager vacuumniveau van 1 x 10 of 1 x 10 torr gehouden.A second chamber 24, corresponding to the specimen chamber in a scanning electron microscope and containing electron beam deflecting elements, as well as a specimen table (not shown in more detail), is passed by a vacuum pump 26 at a -5-6 lower vacuum level of 1 x 10 or 1 x 10 torr held.

15 De kathodekamer 12 en de preparaatkamer 24 zijn van elkaar gescheiden door een wand 26 die voorzien is van een opening 28, die op êên lijn is geplaatst met de emittortop van de kathode 10, waarbij de door de kathode 10 geëmitteerde elektronenstraal door deze opening heen kan gaan. De af-20 meting van de opening 28 is zodanig gekozen, dat de druk van de kathodekamer 12 door de hoogvacuumpomp 16 kan worden in stand gehouden ondanks de lek door de opening 28 vanuit de op een lager vacuumdrukniveau zijnde preparaatkamer 24.The cathode chamber 12 and the preparation chamber 24 are separated from each other by a wall 26 having an aperture 28 aligned with the emitter tip of the cathode 10, the electron beam emitted by the cathode 10 passing through this aperture can go. The size of the orifice 28 is selected such that the pressure of the cathode chamber 12 by the high vacuum pump 16 can be maintained despite the leak through the orifice 28 from the preparation chamber 24 at a lower vacuum pressure level.

Een openingsdiameter van 0,5 mm is voldoende om het druk-25 verschil in stand te houden. Door een magnetische lens 30, die kan worden vervangen door een elektrostatische lens, wordt de elektronenbundel gefocusseerd tot een zeer klein dwarsdoorsnede-oppervlak. Het is duidelijk, dat voor de elektronenmicroscoop een elektronenstraalafbuigstelsel en 30 andere in fig. 4 niet nader weergegeven organen nodig zijn, doch deze vallen niet onder de uitvinding en zullen daarom niet nader worden beschreven.An opening diameter of 0.5 mm is sufficient to maintain the pressure difference. A magnetic lens 30, which can be replaced by an electrostatic lens, focuses the electron beam to a very small cross-sectional area. Obviously, the electron microscope requires an electron beam deflection system and other means not shown in FIG. 4, but they are not within the scope of the invention and therefore will not be described in detail.

De kathodekamer kan scheidbaar zijn van de preparaatkamer teneinde een snelle vervanging van de kathode mogelijk 35 te maken, dat wil zeggen, indien de bestaande kathode moet worden vervangen ten gevolge van een defect of een onvolkomen werking kan de gehele kamer die de kathode bevat, worden verwijderd van de bijbehorende tweede kamer, die een trefplaatstruktuur bevat, en worden vervangen door een 40 nieuwe tevoren op het gewenste vacuumniveau gebrachte en 790 84 79 - IQ - afgedichte kamer of kan de elektronenstraalbuis, die de voorbewerkte kathode bevat in zijn geheel worden vervangen. Een dergelijke vervangbare kathode of elektronenbron kan ook als zelfstandige elektronenbroneenheid behalve 5 bij een aftastmicroscoop worden gebruikt in andere toepassingsgevallenr bijv. in een kathodestraalbuis, waarin de trefplaatconstructie een luminescentiebeeldscherm is.The cathode chamber may be separable from the preparation chamber to allow rapid replacement of the cathode, ie, if the existing cathode is to be replaced due to a defect or defective operation, the entire chamber containing the cathode can be replaced. away from the associated second chamber, which contains a target structure, and be replaced with a 40 new chamber, previously brought to the desired vacuum level, and 790 84 79 - IQ - sealed chamber, or the electron beam tube containing the prepared cathode may be replaced in its entirety. Such a replaceable cathode or electron source can also be used as a standalone electron source unit except 5 in a scanning microscope in other applications, e.g., in a cathode ray tube, in which the target structure is a luminescent display.

De eenheidsconstructie kan verder een ionenpomp bevatten voor het tijdens het gebruikt constant houden van het 10 vereiste vacuummilieu. Verder kan ook de tweede kamer, die de trefplaatconstructie bevat, zijn uitgevoerd als direkt beschikbare vervangingseenheid. Een montage-orgaan voor snelle verwisseling maakt het mogelijk, dat de gewenste eenheid gemakkelijk in een korte tijdsperiode 15 kan worden vervangen en zonder noemenswaardig tijdsver-lies in werking kan worden gesteld.The unit construction may further include an ion pump for keeping the required vacuum environment constant during use. Furthermore, the second chamber, which contains the target construction, can also be designed as an immediately available replacement unit. A quick-change mounting means allows the desired unit to be easily replaced in a short period of time and operated without significant loss of time.

Fig. 5 toont een gunstige uitvoeringsvorm voor het mechanisch koppelen van de kamers. De tevoren vacuum— gezogen kathodekamer 12 bevat een montageflens 3Q en een 20 dun metalen afdichtmembraan 32. Ook behoren tot deze kamér 12 de kathode 10 en de wand 26 met de opening 28.Fig. 5 shows a favorable embodiment for mechanical coupling of the chambers. The previously vacuumed cathode chamber 12 contains a mounting flange 3Q and a thin metal sealing membrane 32. Also included in this chamber 12 are the cathode 10 and the wall 26 with the opening 28.

In een opening van de flens 3Q in de nabijheid van het metalen afdichtmembraan 32 is een stop 34 aangebracht, die een hol naaldvormig prik- of ponsorgaan 36 bevat. De 25 kathodekamer met toebehoren wordt vervolgens gemonteerd tezamen met afsluitende 0-ringen of pakkingen 4Q en 42 aan een hierop passende flens 44 op de preparaatkamer 24.In a hole of the flange 3Q in the vicinity of the metal sealing membrane 32, a plug 34 is provided, which contains a hollow needle-shaped piercing or punching member 36. The cathode chamber with accessories is then mounted together with sealing O-rings or gaskets 4Q and 42 on a matching flange 44 on the preparation chamber 24.

De op elkaar passende flenzen 30 en 44 worden stevig met elkaar verbonden door middel vna een klem 46. Nadat de 30 preparaatkamer 44 vacuum is gepompt tot het gewenste vacuumniveau wordt een bedieningsnokschijf 50 ingedrukt tot deze op ëén lijn is gekomen met het prikorgaan 36. Vervolgens wordt de nokschijf 50 gedraaid, waardoor de nok hiervan tegen het prikorgaan 36 drukt teneinde dit 35 prikorgaan te laten prikken in het metalen afdichtmembraan 32 (zie fig. 5al zonder dat het vacuumniveau wordt verminderd. Nadat het prikorgaan 36 het membraan 32 heeft doorgeprikt wordt het op zijn plaats gehouden door een nippel-deel in de nabijheid van het conische uiteinde hiervan.The mating flanges 30 and 44 are firmly joined together by means of a clamp 46. After the preparation chamber 44 has been vacuum pumped to the desired vacuum level, an operating cam 50 is depressed until it is aligned with the piercer 36. Then the cam 50 is rotated, whereby the cam thereof presses against the piercing member 36 so as to cause this piercing member to pierce into the metal sealing membrane 32 (see Fig. 5al without the vacuum level being reduced. After the piercing member 36 has pierced the membrane 32, the held in place by a nipple portion near its conical end.

40 De elektronenstraal kan dan vanuit de kathode 10 door de 790 8 479 - 11 - opening 28 heen gaan en vervolgens- door het holle naaldvormige prikorgaan 36 heen zijn weg vervolgen, naar de preparaatkamer.The electron beam can then pass from the cathode 10 through the opening 790 8 479-11 11 28 and then continue its way through the hollow needle-shaped piercer 36 to the preparation chamber.

Fig. 6 toont een gewijzigde uitvoeringsvorm voor het 5 mechanisch koppelen van de kathodekamer en de preparaatkamer. De delen hierin, die corresponderen met die in fig. 4 en 5, zijn met dezelfde verwijzingscijfers aangeduid, die nu evenwel voorzien zijn van een 1. Een tevoren gevacueerde kathodekamer 12* bevat een montagevoet 30' 10 en een metalen afdichtmembraan 32*. Verder behoren tot deze kathodekamer de kathode 10' en de wand 26’ met de opening 28'. Een hol naaldvormig prikorgaan 36* is geplaatst in een opening in een montagehouder 44' van de preparaatkamer 24'. Over de montagevoet is een kraag 46' 15 geschoven en een gespleten steunring 38 is ingebracht in een gefreesde groef in de voet 30'. De kathodekamer met toebehoren wordt vervolgens gemonteerd tezamen met 0-ringen of pakkingen 40' en 42' aan een passende houder 44' op de preparaatkamer 24'. De kraag 46' wordt gedraaid 20 teneinde in ingrijping te komen met de schroefdraad- windingen aan de lip van de houder 44 *. Wanneer de preparaatkamer 24’ vacuum wordt gepompt, wordt de kraag 46* geschroefd op de houder 44*, waardoor het prikorgaan 36* wordt gedwongen door het membraan 32’ te prikken. Wanneer de 25 kraag 46' eenmaal is vastgeschroefd zijn de kamers afgesloten voor atmosferische druk en kan de elektronenstraal door het. holle prikorgaan 36' gaan overeenkomstig boven is beschreven voor de voorgaande uitvoeringsvorm.Fig. 6 shows a modified embodiment for mechanically coupling the cathode chamber and the preparation chamber. The parts herein, which correspond to those in Figs. 4 and 5, are denoted by the same reference numerals, but which now include a 1. A pre-evacuated cathode chamber 12 * includes a mounting base 30 '10 and a metal sealing membrane 32 *. Furthermore, this cathode chamber includes the cathode 10 'and the wall 26' with the opening 28 '. A hollow needle-shaped piercer 36 * is placed in an opening in a mounting holder 44 'of the preparation chamber 24'. A collar 46 '15 is slid over the mounting base and a split support ring 38 is inserted into a milled groove in the base 30'. The cathode chamber with accessories is then mounted together with O-rings or gaskets 40 'and 42' to a suitable holder 44 'on the preparation chamber 24'. The collar 46 'is rotated 20 to engage the threaded turns on the lip of the container 44 *. When the preparation chamber 24 'is vacuum pumped, the collar 46 * is screwed onto the holder 44 *, forcing the lancing device 36 * through to pierce the membrane 32'. Once the collar 46 'is screwed on, the chambers are closed to atmospheric pressure and the electron beam can pass through it. hollow lancing device 36 'correspondingly described above for the previous embodiment.

Het zal duidelijk zijn dat naast de bovenbeschreven 30 uitvoeringsvoorbeelden velerlei gewijzigde uitvoeringsvormen kunnen worden ontwikkeld zonder hierbij buiten het kamer van de uitvinding te treden.It will be clear that in addition to the above-described embodiments, many modified embodiments can be developed without departing from the chamber of the invention.

- conclusies - 790 8479- conclusions - 790 8479

Claims

1. Electron beam tube, for example for a scanning electron microscope, characterized in that it consists of: an evacuated tubular envelope having a first chamber and a second chamber, wherein the first chamber can be held at a lower pressure than the second chamber, from an interconnection means for providing a communicating connection between the first and the second chamber, a field emission electron source arranged axially in the first chamber in the vicinity of the connector and aligned with this connector, means connected to the field emission electron source for providing a stable and substantially continuous operation thereof, and comprising a low voltage source for heating the electron source to a temperature slightly lower than the temperature at which significant thermionic electron emission occurs , and from a high voltage source for supplying it to the emitter point 20 of the electron source up to creating an electrostatic field gradient of a size sufficient to change the shape of the apex and provide an increased emission current in the form of an electron beam along a preferred axis, and focusers disposed in the second chamber.

Electron beam tube according to claim 1, characterized in that the intermediate connection means has an opening in the vicinity of the field emission electron source, which opening is large enough to allow the 3Q electron beam to pass through it, and small enough to accommodate the pressure difference over it. maintain the opening.

Electron beam tube according to claim 1 or 2, characterized in that the field emission source has a tungsten cathode. 790 84 79 - 13 -

4. Electron beam pulse according to claim 3, characterized in that the tungsten cathode is a thermal field-building cathode with the main emitter plane a 10 ° crystallographic plane.

5. Electron beam pulse according to claim 3, characterized in that the tungsten cathode is a thermal field-building cathode with a crystallographic 310 plane as the main emitter plane.

Electron beam tube according to one of the preceding claims, characterized in that the first chamber and the second chamber are separable and compatible again.

7. Electron beam tube according to claim 6, characterized in that the first chamber forms a closed unit construction, containing the cathode, which forms the electron source, and an ion pump.

8. Electron beam pulse according to claim 7, characterized in that the first chamber is sealed and vacuumed before this first chamber is combined with the second chamber.

9. Electron beam pulse according to claim 8, characterized in that the cathode is pre-processed to the desired operating state before the first chamber is joined with the second chamber.

10. Electron beam pulse according to claim 9, characterized in that the interconnection means has means for mechanically coupling the chambers together, and from a device for piercing a sealing membrane part in the first chamber to provide communication between the first room and 30 the second room.

Electron beam pulse according to claim 1, characterized in that the piercer has a hollow punch element placed axially with the electron source 790 84 79 -r, V-14 source to pass through the electron beam.

Electron beam tube according to any one of the preceding claims, characterized in that the first chamber can be at a predetermined vacuum pressure level before being joined with the second chamber and the first chamber at the mounting end of beer is provided with a membrane for maintain the vacuum level herein.

An electron beam tube according to any one of the preceding claims, characterized in that the first chamber is surrounded by an envelope formed from glass or ceramic material.

Electron beam tube according to any one of the preceding claims, characterized in that the piercing device consists of a convex punching member, which is placed internally and attached to a shaft which is oriented transversely or the membrane plane, and an external member, operatively connected to the punch to move the punch in axial direction through the membrane.

15. An electron beam tube as claimed in claim 14, characterized in that the external member operatively connected to the punching member consists of a shaft on which there is a cam disc positioned in the vicinity of the punching member, said shaft in axial direction. , as well as movable in the rotational direction to couple or disconnect the cam disc with the punch member.

Electron beam tube according to claim 14, characterized in that the external member, which is operatively connected to the punching member, consists of a collar or ring part, which surrounds the circumference of the electron tube, which ring part is provided with threaded turns, 790 84 79. Which fit or thread turns of the punch or of the support structure of this punch to move this punch toward or away from the membrane by rotating the ring portion.

Electron beam tube according to any one of the preceding claims, characterized in that it consists of an envelope, from an electron source, which is placed in the envelope to provide a stabilized source of electrons along an axis coinciding with the axis 10 of the electron source and from a occluding member formed by the envelope in proximity to and aligned with the electron source for occluding the envelope to maintain the envelope at a vacuum level, which occluding member is capable of being pierced when the electron beam tube is suitably mounted on a second envelope structure containing an electron beam target.

18. Electron beam tube according to claim 17, characterized in that it contains an ion pump for maintaining the vacuum therein.

19. First, resp. second chamber for an electron beam tube according to any one of claims 1-18, designed as a detachable construction element.

20. Puncturing device intended for an electron beam tube as claimed in any of the claims 1-18. 790 84 79