PL228555B1

PL228555B1 - Electron gun

Info

Publication number: PL228555B1
Application number: PL415203A
Authority: PL
Inventors: Rafał Szukiewicz; Maciej Kuchowicz; Marcin Wiejak
Original assignee: Wroclawskie Centrum Badan Eit Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2018-04-30
Also published as: PL415203A1

Description

(12)OPIS PATENTOWY ₍i₉₎PL ₍n)228555 (13) B1 (51) IntCI.(12) PATENT DESCRIPTION ₍ i ₉₎ PL ₍ n) 228555 (13) B1 (51) IntCI.

(21) Numer zgłoszenia: 415203 _{HQ1J 37/00} (2006.01)(21) Application number: 415203 _{HQ1J 37/00} (2006.01)

H01J 37/06 (2006.01) H01J 37/065 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 10.12.2015 H01J 37/063 (2006.01) (54)H01J 37/06 (2006.01) H01J 37/065 (2006.01) (22) Filed on: 10/12/2015 H01J 37/063 (2006.01) (54)

Działo elektronoweElectron cannon

(43) Zgłoszenie ogłoszono: 19.06.2017 BUP 13/17 (43) Application was announced: 19.06.2017 BUP 13/17 (73) Uprawniony z patentu: WROCŁAWSKIE CENTRUM BADAŃ EIT + SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Wrocław, PL (73) The right holder of the patent: WROCŁAW RESEARCH CENTER EIT + SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Wrocław, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.04.2018 WUP 04/18 (45) The grant of the patent was announced: 30/04/2018 WUP 04/18 (72) Twórca(y) wynalazku: RAFAŁ SZUKIEWICZ, Wrocław, PL MACIEJ KUCHOWICZ, Wrocław, PL MARCIN WIEJAK, Wrocław, PL (72) Inventor (s): RAFAŁ SZUKIEWICZ, Wrocław, PL MACIEJ KUCHOWICZ, Wrocław, PL MARCIN WIEJAK, Wrocław, PL

m mm m

m com what

CMCM

Ω.Ω.

PL 228 555 B1PL 228 555 B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest działo elektronowe, w szczególności niskoenergetyczne działo elektronowe, mające zastosowanie w pomiarze zmian pracy wyjścia statyczną i dynamiczną metodą Andersona. Przedmiotowy wynalazek można zastosować również do kontroli z bardzo dużą dokładnością (rzędu 0,01 nm) procesu wzrostu, modyfikacji warstw adsorpcyjnych oraz powierzchni materiałów np. w trakcie procesów utleniania i redukcji.The subject of the invention is an electron gun, in particular a low-energy electron gun, applicable in the measurement of changes in the output work with the static and dynamic Anderson method. The present invention can also be used to control with a very high accuracy (on the order of 0.01 nm) the growth process, modification of adsorption layers and material surfaces, e.g. during oxidation and reduction processes.

Jednym z najistotniejszych parametrów charakteryzujących powierzchnię przewodnika lub półprzewodnika jest praca wyjścia, czyli najmniejsza energia, którą należy dostarczyć elektronowi, aby opuścił on swój układ i stał się elektronem swobodnym. Pracę wyjścia można wyznaczyć wieloma różnymi metodami, wśród których można wymienić metodę Andersona (nazywaną również metodą diody strumieniowej lub pola hamującego). W metodzie tej za pomocą działa elektronowego formowana jest wąska wiązka elektronów, która kierowana jest prostopadle do powierzchni próbki. Poprzez detekcję zmian potencjałów próbki rejestrowana jest praca wyjścia dla danego materiału. Szczególnym przypadkiem układu do pomiarów zmian pracy wyjścia metodą Andersona, jest układ pracujący w atmosferze gazu roboczego. Tego rodzaju doświadczenia przeprowadzane w warunkach wysokiej próżni (p<10⁸mbar) polegają na pomiarach prądu elektronowego płynącego pomiędzy działem elektronowym, a badaną próbką w zależności od napięcia hamującego przykładanego pomiędzy działo, a próbkę. W założeniu element emitujący elektrony powinien posiadać stałą emisję strumienia elektronów dla zadanych parametrów pracy, szczególnie jego praca wyjścia elektronu nie może się zmieniać wraz z czynnikami zewnętrznymi (np. poprzez reakcję powierzchni emitera z gazem roboczym). Wszelkie zmiany pracy wyjścia badanej powierzchni w wyniku działania czynników zewnętrznych, np. adsorpcji innych pierwiastków, temperatury itd., odzwierciedlają się w postaci przesunięcia charakterystyki prądowo napięciowej diody tj. układu działo elektronowe-próbka.One of the most important parameters characterizing the surface of a conductor or semiconductor is the work of the output, i.e. the smallest energy that must be supplied to the electron for it to leave its system and become a free electron. The work of the output can be determined by many different methods, including the Anderson method (also known as the flux diode or braking field method). In this method, using an electron gun, a narrow beam of electrons is formed, which is directed perpendicular to the sample surface. By detecting changes in sample potentials, the work of the output for a given material is recorded. A special case of the system for measuring changes in the output work by the Anderson method is the system operating in the atmosphere of working gas. Such experiments, carried out in high vacuum conditions (p <10 ⁸ mbar), consist in measuring the electron current flowing between the electron gun and the sample under test, depending on the braking voltage applied between the gun and the sample. It is assumed that the electron emitting element should have a constant emission of the electron beam for the given operating parameters, especially its work of the electron output cannot change with external factors (e.g. through the reaction of the emitter surface with the working gas). Any changes in the work of the output of the tested surface as a result of external factors, e.g. adsorption of other elements, temperature, etc., are reflected in the form of a shift in the current-voltage characteristics of the diode, i.e. the electron gun-sample system.

Aby zminimalizować wpływ bombardowania elektronami na własności fizykochemiczne powierzchni badanej próbki powinno stosować się elektrony o energiach poniżej 50 eV. Komercyjnie dostępne działa elektronowe zazwyczaj konstruowane są do zastosowań uwzględniających wysokie energie znacznie powyżej wspomnianej granicy. Z tego też względu, stosowane układy ogniskowania optymalizowane są pod kątem pracy w reżimie wysokoenergetycznym. Kluczowym elementem pomiarów pracy wyjścia metodą diody, decydującym o jego dokładności, jest zatem kwestia odpowiedniego formowania i ogniskowania wiązki elektronów na próbce dla niskich energii wiązki. Ponadto, aby wyniki pomiarów były wiarygodne, niezbędnym jest zapewnienie stabilnych warunków pracy emitera elektronów. Zmiana jakichkolwiek parametrów fizykochemicznych może odzwierciedlać się na przesunięciach badanej charakterystyki prądowo-napięciowej co zaburza pomiar.To minimize the impact of electron bombardment on the physicochemical properties of the surface of the test sample, electrons with energies below 50 eV should be used. Commercially available electron guns are typically designed for high energy applications well above this limit. For this reason, the applied focusing systems are optimized to work in the high-energy regime. Therefore, a key element of the diode output measurements, determining its accuracy, is the issue of proper formation and focusing of the electron beam on the sample for low beam energies. Moreover, for the measurement results to be reliable, it is necessary to ensure stable working conditions of the electron emitter. The change of any physicochemical parameters may be reflected in shifts of the tested current-voltage characteristic, which disturbs the measurement.

W publikacji naukowej S. J. Klauser i in., “A miniaturised electron gun for measurements of work function variations by the method potential in an magnetic field of retarding axial,” J. Phys. E: Sci. Instrum., Vol. 12, 1979 ujawniono układ działa elektronowego do pomiaru zmian pracy wyjścia metodą Andersona, składający się z katody typu „hairpin”, anody oraz cewki magnetycznej. Konstrukcja taka jest narażona na oddziaływanie środowiska zewnętrznego, w szczególności gazów roboczych.In the scientific publication by S. J. Klauser et al., "A miniaturized electron gun for measurements of work function variations by the method potential in an magnetic field of retarding axial," J. Phys. E: Sci. Instrum., Vol. 12, 1979 discloses an electron gun system for measuring changes in the output work by the Anderson method, consisting of a hairpin cathode, an anode and a magnetic coil. Such a structure is exposed to the influence of the external environment, in particular working gases.

Z kolei w publikacji naukowej R. S. Khairnar i in., “Work function measurements of dispenser cathodes by retarding potential method,” Review of Scientific Instruments 63, 5483, 1992 ujawniono podobny układ działa elektronowego do pomiaru zmian pracy wyjścia, składający się z katody, anody oraz cewki magnetycznej. Konstrukcja posiadała dodatkową elektrodę sterującą prądem wiązki w postaci siatki umieszczonej za katodą, która w ujawnionej publikacji miała postać zwiniętej spirali. Podobnie konstrukcja działa narażona jest na oddziaływania gazów roboczych.In turn, the scientific publication by RS Khairnar et al., "Work function measurements of dispenser cathodes by retarding potential method," Review of Scientific Instruments 63, 5483, 1992 discloses a similar electron gun system for measuring changes in the work of the output, consisting of a cathode, an anode and a magnetic coil. The structure had an additional beam current control electrode in the form of a grid positioned downstream of the cathode, which in the disclosed publication was in the form of a coiled spiral. Similarly, the design of the gun is exposed to the effects of working gases.

Natomiast w publikacji naukowej A. Sabik i in., “Work function change measurement via improved Anderson method,” Review of Scientific Instruments 86, 056111, 2015 opisano modyfikację metody Andersona do wyznaczania zmian pracy wyjścia. Wymagało to skonstruowania działa elektronowego emitującego elektrony pomiarowe o niskiej energii, w którym wszystkie elektrody, łącznie z elektrodą emitującą, są dodatnio spolaryzowane. Zastosowanie większej liczby elektrod w reżimie niskoenergetycznym (<20 eV) może spowodować, że otrzymanie dobrze zogniskowanej równoległej wiązki może być znacznie utrudnione. Dodatkowo umieszczenie większości elektrod elektrostatycznych poza obszarem jednorodnego pola magnetycznego może również prowadzić do złego ogniskowania wiązki co jest kluczowe dla dokładności eksperymentu. Wykorzystan ie układu więcej niż dwóch soczewek ogranicza możliwość umieszczenia całego układu soczewek elektrostatycznych w obszarze jednorodnego pola magnetycznego oraz wprowadza zbyt dużą liczbę potencjałów oddziałujących, przez co, w przypadkuOn the other hand, the scientific publication by A. Sabik et al., "Work function change measurement via improved Anderson method," Review of Scientific Instruments 86, 056111, 2015 describes a modification of the Anderson method for determining changes in the output work. This involved constructing an electron gun that emits low-energy measurement electrons in which all electrodes, including the emitting electrode, are positively polarized. The use of more electrodes in a low energy regime (<20 eV) can make it very difficult to obtain a well focused parallel beam. Additionally, placing most of the electrostatic electrodes outside of the homogeneous magnetic field can also lead to poor beam focusing, which is crucial for the accuracy of the experiment. The use of a system of more than two lenses limits the possibility of placing the entire electrostatic lens system in the area of a homogeneous magnetic field and introduces too many interacting potentials, which in the case of

PL 228 555 B1 pracy z wiązką elektronów o niskich energiach, uzyskanie dobrego ogniskowania może być utrudnione. Taka konstrukcja znacząco zwiększa ilość zasilaczy potrzebnych do sterowania działem i tym samym komplikuje jego obsługę.When working with a low-energy electron beam, it may be difficult to obtain a good focus. This design significantly increases the number of power supplies needed to control the gun, and thus complicates its operation.

Problemem technicznym stawianym przed niniejszym wynalazkiem jest zaproponowanie takiej konstrukcji działa elektronowego, w szczególności niskoenergetycznego działa elektronowego, dedykowanego do wykonywania pomiarów pracy wyjścia elektronów statyczną i dynamiczną metodą Andersona, która zapewni stabilne warunki pracy emitera elektronów poprzez ograniczenie reakcji gazu roboczego z powierzchnią gorącej katody oraz minimalizację wpływu gazów reakcyjnych na parametry całego działa elektronowego. Pożądane jest również, by konstrukcja działa elektronowego minimalizowała również wpływ pozostałych czynników zewnętrznych na parametry pracy urządzenia, wpływając znacząco na dokładność pomiaru zmian pracy wyjścia, umożliwiając tym samym prowadzenie badań procesów zachodzących na granicy faz ciało stałe/gaz. Istotne jest również zapewnienie relatywnie prostej i szybkiej możliwości adaptacji urządzenia do specyficznych zastosowań lub wykorzystywanej elektroniki poprzez możliwość łatwej wymiany poszczególnych elementów składowych urządzenia, w szczególność przesłon z aperturami. Nieoczekiwanie, wspomniane problemy techniczne rozwiązał prezentowany wynalazek.The technical problem faced by the present invention is to propose such a structure of an electron gun, in particular a low-energy electron gun, dedicated to measuring the work of electron output with the static and dynamic Anderson method, which will ensure stable operating conditions of the electron emitter by limiting the reaction of the working gas with the hot cathode surface and minimizing the influence of reaction gases on the parameters of the entire electron gun. It is also desirable that the design of the electron gun also minimizes the influence of other external factors on the operating parameters of the device, significantly affecting the accuracy of measuring changes in the output operation, thus enabling research on the processes taking place at the solid / gas interface. It is also important to ensure a relatively simple and quick possibility of adapting the device to specific applications or the electronics used, thanks to the possibility of easy replacement of individual components of the device, in particular aperture shutters. Unexpectedly, the technical problems mentioned have been solved by the present invention.

Przedmiotem wynalazku jest działo elektronowe z ogniskowaniem magnetycznym, zawierające moduł katody, cylinder Wehnelta, anodę oraz cewkę ogniskującą, charakteryzujące się tym, że cylinder Wehnelta zbudowany jest z zasadniczo okrągłej płaskiej podstawy z otworem centralnym oraz tulei rozciągającej się współosiowo z płaskiej podstawy cylindra Wehnelta, natomiast anoda zbudowana jest z zasadniczo okrągłej płaskiej podstawy z otworem centralnym oraz tulei rozciągającej się współosiowo z płaskiej podstawy anody, przy czym średnica wewnętrzna tulei anody jest większa od średnicy zewnętrznej tulei cylindra Wehnelta, a średnica zewnętrzna tulei anody jest większa od średnicy wewnętrznej cewki ogniskującej tak, że w stanie złożenia działa elektronowego moduł katody umieszczony jest w tulei cylindra Wehnelta, która umieszczona jest w tulei anody, przy czym cewka ogniskująca nałożona jest na tuleję anody w taki sposób, że przykrywa zasadniczo całą długość tulei anody. W korzystnej realizacji wynalazku pomiędzy tuleją anody a cewką ogniskującą umieszczony jest cylinder izolacyjny, korzystnie szklany. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku na końcu tulei cylindra Wehnelta, przeciwległym do zasadniczo okrągłej płaskiej podstawy, umieszczona jest pierwsza płaska przesłona z pierwszą aperturą. W następnej korzystnej realizacji wynalazku na końcu tulei anody, przeciwległym do zasadniczo okrągłej płaskiej podstawy, umieszczona jest druga płaska przesłona z drugą aperturą. Korzystnie działo elektronowe zawiera dodatkowo talerz montażowy z otworem centralnym i obwodowymi otworami montażowymi. W korzystnej realizacji wynalazku moduł katody stanowi bezpośrednio żarzona katoda typu hairpin, korzystnie wolframowa. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku moduł katody zawiera tuleję izolującą, korzystnie ceramiczną. Korzystnie tuleja izolująca posiada szereg obwodowo rozmieszczonych otworów odprowadzających. W następnej korzystnej realizacji wynalazku podstawa cylindra Wehnelta posiada szereg obwodowo rozmieszczonych otworów montażowych, zgranych z otworami montażowymi talerza montażowego. Korzystnie podstawa anody posiada szereg obwodowo rozmieszczonych wycięć, zgranych z otworami montażowymi talerza montażowego oraz cylindra Wehnelta.The subject of the invention is an electron gun with magnetic focus, containing a cathode module, Wehnelt cylinder, anode and focusing coil, characterized in that the Wehnelt cylinder consists of a substantially circular flat base with a central bore and a sleeve extending coaxially from the flat base of the Wehnelt cylinder, while the anode consists of a substantially round flat base with a central hole and a sleeve extending coaxially from the flat anode base, the inner diameter of the anode sleeve being greater than the outer diameter of the Wehnelt cylinder sleeve, and the outer diameter of the anode sleeve greater than the inner diameter of the focusing coil yes, that in the folded-up state of the electron gun, the cathode module is housed in a Wehnelt cylinder sleeve which is placed in the anode sleeve, the focusing coil being superimposed on the anode sleeve in such a way that it covers substantially the entire length of the anode sleeve. In a preferred embodiment of the invention, an insulating cylinder, preferably glass, is placed between the anode sleeve and the focusing coil. In a further preferred embodiment of the invention, a first planar diaphragm with a first aperture is provided at the end of the Wehnelt cylinder sleeve opposite the substantially circular planar base. In a further preferred embodiment of the invention, a second planar diaphragm with a second aperture is provided at the end of the anode sleeve opposite the substantially circular planar base. Preferably, the electron gun additionally comprises a mounting plate with a central opening and circumferential mounting holes. In a preferred embodiment of the invention, the cathode module is a direct-heated hairpin, preferably tungsten cathode. In a further preferred embodiment of the invention, the cathode module comprises an insulating sleeve, preferably ceramic. Preferably, the insulating sleeve has a plurality of circumferentially spaced outlets. In a further preferred embodiment of the invention, the Wehnelt cylinder base has a plurality of circumferentially spaced mounting holes in alignment with the mounting holes of the mounting plate. Preferably, the anode base has a number of circumferentially spaced cut-outs, aligned with the mounting holes of the mounting plate and Wehnelt cylinder.

Do najistotniejszych zalet działa elektronowego według niniejszego wynalazku należy zaliczyć znaczącą poprawę stabilności pracy urządzenia dzięki zastosowaniu układu cylinder Wenhelta-Anoda oraz umieszczeniu zewnętrznej cewki ogniskującej w taki sposób, aby cały układ soczewek elektrostatycznych znajdował się w obszarze prawie jednorodnego pola magnetycznego. Kompaktowa i modułowa konstrukcja działa elektronowego pozwala na szybkie i stosunkowo łatwe modyfikacje poszczególnych parametrów konstrukcji. Przykładem może tu być możliwość wymiany części cylindra Wenhelta i anody w postaci przesłon z aperturą. Wielkość apertury jest czynnikiem determinującym gęstość wiązki działa elektronowego. Im szersze apretury zostaną zastosowane tym gęstość wiązki będzie większa, co niekorzystnie wpływa na jej zbieżność i stabilność. Dobranie odpowiednich średnic poszczególnych przesłon może pozwolić na szybką adaptację urządzenia do specyficznych zastosowań lub wykorzystywanej elektroniki. Ponadto konstrukcja urządzenia minimalizuje wpływ czynników zewnętrznych na parametry pracy, co znacząco wpływa na dokładność pomiaru zmian pracy wyjścia.The most important advantages of the electron gun according to the present invention include a significant improvement in the stability of the device operation thanks to the use of the Venhell-Anode cylinder system and placing the outer focusing coil in such a way that the entire electrostatic lens system is in the area of an almost uniform magnetic field. The compact and modular design of the electron gun allows for quick and relatively easy modification of individual construction parameters. An example of this is the ability to replace parts of the Wenhell cylinder and the anode in the form of the aperture diaphragms. The size of the aperture is a factor that determines the beam density of the electron gun. The wider the finishes will be used, the greater the beam density will be, which adversely affects its convergence and stability. Choosing the appropriate diameters of individual diaphragms can allow for quick adaptation of the device to specific applications or the electronics used. In addition, the design of the device minimizes the impact of external factors on the operating parameters, which significantly affects the accuracy of measuring changes in the output operation.

Zamknięta konstrukcja cylindra Wenhelta wraz z modułem katody została celowo zaprojektowana tak, aby zminimalizować możliwość wpływu gazów reakcyjnych na parametry działa. Dodatkowo zastosowanie bezpośrednio żarzonej katody wolframowej typu „V” również wpływa korzystnie na stabilność jej pracy w atmosferze gazu, ze względu na niewielki obszar w apeksie katody, z którego emitowane sąThe closed structure of the Wenhelt cylinder together with the cathode module has been deliberately designed to minimize the possibility of the influence of reaction gases on the parameters of the gun. In addition, the use of a directly heated tungsten V-type cathode also has a positive effect on the stability of its operation in a gas atmosphere, due to the small area in the apex of the cathode, from which

PL 228 555 B1 elektrony oraz wysoką temperaturę pracy niezbędną do wydajnej emisji elektronów. Dzięki temu stosując działo elektronowe według niniejszego wynalazku możliwe jest prowadzenie badań procesów zachodzących na granicy faz ciało stałe/gaz.Electrons and the high operating temperature necessary for efficient electron emission. As a result, using the electron gun according to the present invention, it is possible to conduct research on the processes taking place at the solid / gas interface.

Przykładowe realizacje wynalazku zaprezentowano na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok z boku działa elektronowego w postaci złożonej, fig. 2 przedstawia rozstrzelony widok aksonometryczny działa elektronowego z fig. 1, fig. 3 przedstawia moduł katody w widoku aksonometrycznym, fig. 4 przedstawia moduł katody w widoku z boku, natomiast fig. 5 przedstawia przekrój poprzeczny modułu katody wzdłuż płaszczyzny A-A zaznaczonej na fig. 4.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a side view of the electron gun in assembled form, Fig. 2 shows an exploded axonometric view of the electron gun of Fig. 1, Fig. 3 shows the cathode module in an axonometric view, Fig. 4 shows a side view of the cathode module, and Fig. 5 is a cross-sectional view of the cathode module along the plane AA marked in Fig. 4.

P r z y k ł a dP r z k ł a d

Działo elektronowe według niniejszego wynalazku dedykowane jest do pomiarów zmian pracy wyjścia metodą Andersona. Konstrukcja kompletnego działa elektronowego w stanie złożonym została przedstawiona na fig. 1. Działo zawiera cztery zasadnicze elementy: moduł katody 2 wyposażony w bezpośrednio żarzoną katodę 21 typu hairpin, cylinder Wenhelta 3, anodę 5 oraz cylindryczną cewkę ogniskującą 8 (elektromagnetyczną). Katoda 21 bezpośrednio żarzona pracuje w temperaturze powyżej 2000 K, przez co w warunkach próżniowych UHV (ang. Ultra-High Vacuum) posiada stałą pracę wyjścia. Działo elektronowe wykazuje konstrukcję zasadniczo cylindryczną, tj. cylinder Wenhelta 3, anoda 5 oraz cewka ogniskująca 8 mają cylindryczną oś symetrii (patrz fig. 1 i 2). Podstawą konstrukcji jest molibdenowy talerz montażowy 1 o średnicy 28 mm, w którym wykonane są otwory montażowe. Przez otwory montażowe przeprowadzone są pręty, które pełnią rolę zarówno elementów mocujących poszczególne elektrody, jak i doprowadzeń prądowych do poszczególnych elektrod. Każdy z prętów odizolowany jest od talerza montażowego 1 przy pomocy izolatorów próżniowych wykonanych z ceramiki AhO3.The electron gun according to the present invention is dedicated to measuring changes in the output work by the Anderson method. The construction of a complete electron gun in an assembled state is shown in Fig. 1. The gun comprises four essential components: a cathode module 2 equipped with a hairpin-type heated cathode 21, a Wenhelt cylinder 3, an anode 5 and a cylindrical focusing coil 8 (electromagnetic). The cathode 21, directly heated, operates at a temperature above 2000 K, and therefore in UHV (Ultra-High Vacuum) vacuum conditions it has a constant output operation. The electron gun has a substantially cylindrical structure, i.e. the Wenhelt cylinder 3, the anode 5 and the focusing coil 8 have a cylindrical axis of symmetry (see Figs. 1 and 2). The basis of the structure is a molybdenum mounting plate 1 with a diameter of 28 mm, in which mounting holes are made. Rods are led through the mounting holes, which act as both fastening elements for individual electrodes and current leads to individual electrodes. Each of the rods is isolated from the mounting plate 1 by means of vacuum insulators made of AhO3 ceramics.

Na fig. 2 przedstawiono rozstrzelony widok działa elektronowego z fig. 1. Bezpośrednio ponad talerzem montażowym 1 znajduje się cylinder Wenhelta 3 wykonany z molibdenu, który ma postać tulei osadzonej na okrągłej płaskiej podstawie. Od góry (przeciwlegle do płaskiej podstawy) tuleja zakończona jest cienką okrągłą tantalową pierwszą przesłoną 4 z pierwszą aperturą wykonaną współosiowo z pierwszą przesłoną 4. Pierwsza przesłona 4 jest montowana niezależnie poprzez zgrzewanie prądowe do tulei cylindra Wenhelta 3. Takie rozwiązanie konstrukcyjne umożliwia późniejszą łatwą wymianę tego elementu w razie jego uszkodzenia lub konieczności zmiany wielkości apertury, wynikającej z potrzeby zmiany parametrów urządzenia. Podstawa pełni funkcję elementu montażowego łączącego tuleję cylindra Wenhelta 3 z pozostałymi elementami. W centrum podstawy znajduje się otwór, przez który wprowadzana jest do wnętrza moduł katody 2 obejmujący ceramikę 22 z zamontowaną katodą 21 typu hairpin.Fig. 2 shows an exploded view of the electron gun from Fig. 1. Immediately above the mounting plate 1 there is a Wenhelt cylinder 3 made of molybdenum, which is in the form of a sleeve mounted on a round flat base. From the top (opposite to the flat base) the sleeve ends with a thin circular tantalum first diaphragm 4 with a first aperture made coaxial with the first diaphragm 4. The first diaphragm 4 is mounted independently by electric welding to the Wenhelt cylinder sleeve 3. This design allows easy replacement of it later. element in the event of its damage or the need to change the aperture size resulting from the need to change the device parameters. The base acts as a mounting element that connects the Wenhelt 3 cylinder sleeve with the rest of the elements. In the center of the base there is an opening through which the cathode module 2 is inserted into the interior, comprising ceramics 22 with a hairpin cathode 21 mounted.

Anoda 5 ma podobną postać do cylindra Wenhelta 3, tj. posiada tuleję z podstawą mocującą i drugą przesłoną 6 z drugą aperturą, zgrzewaną do zewnętrznej części tulei. Różni się ona wysokością i średnicą tulei (średnica wewnętrzna tulei anody 5 jest większa od średnicy zewnętrznej tulei cylindra Wenhelta 3 tak, że tuleja cylindra Wenhelta 3 może być umieszczona w tulei anody 5) oraz dodatkowymi promieniowymi wycięciami w konstrukcji podstawy. Na cylinder anody 5 nakładany jest kolejny, tym razem szklany, cylinder izolacyjny 7, którego rolą jest izolacja elektryczna pomiędzy anodą 5 i cewką ogniskującą 8 wykonaną z miedzi beztlenowej. Cewka ogniskująca 8 wykonana została z drutu z miedzi beztlenowej o średnicy 1,5 mm, przy czym średnica wewnętrzna cewki ogniskującej 8 jest mniejsza od średnicy zewnętrznej cylindra izolacyjnego 7 i w konsekwencji średnicy zewnętrznej tulei anody 5. Katoda 21 typu V wykonana została z drutu wolframowego o średnicy 0,15 mm i jest żarzona przez bezpośrednie grzanie oporowe prądem o wartości 2,5 A. Takie rozwiązanie pozwala w stosunkowo prosty sposób zapewnić wytworzenie równoległej wiązki elektronowej, co ma znaczący wpływ na jakość eksperymentu. Co ważne, dostosowanie właściwości emisyjnych działa elektronowego do konkretnej aplikacji może odbyć poprzez zmianę średnicy drutu katody 21 i/lub wartości prądu grzania oporowego. Przykładowo średnica taka może zawierać się w przedziale od 0,1 mm do 0,25 mm, a prąd grzania oporowego może zawierać się w przedziale od 2 A do 3,5 A. Ważnym aspektem konstrukcji jest fakt, iż cewka ogniskująca 8 obejmuje praktycznie cały układ optyki elektronowej, dzięki czemu elektrony w całym układzie poruszają się w jednorodnym polu magnetycznym. O ile badana próbka znajduje się w stosunkowo niewielkiej odległości w stosunku do długości cewki ogniskującej 8, to wiązka elektronowa bombardująca jej powierzchnię powinna być dobrze zogniskowana.The anode 5 is similar to the Venhell cylinder 3, i.e. it has a sleeve with a mounting base and a second diaphragm 6 with a second aperture welded to the outer part of the sleeve. It differs in the height and diameter of the sleeve (the inner diameter of the anode sleeve 5 is larger than the outer diameter of the Wenhelt cylinder sleeve 3, so that the Wenhelt cylinder sleeve 3 can be placed in the anode sleeve 5) and additional radial cutouts in the base structure. Another, this time glass insulating cylinder 7, is placed on the anode cylinder 5, the role of which is to provide electrical insulation between the anode 5 and the focusing coil 8 made of oxygen-free copper. The focusing coil 8 is made of an oxygen-free copper wire with a diameter of 1.5 mm, the inner diameter of the focusing coil 8 is smaller than the outer diameter of the insulating cylinder 7 and, consequently, the outer diameter of the anode sleeve 5. The V-type cathode 21 is made of tungsten wire of diameter 0.15 mm and is heated by direct resistance heating with a current of 2.5 A. This solution allows in a relatively simple way to ensure the generation of a parallel electron beam, which has a significant impact on the quality of the experiment. Importantly, adapting the emission properties of the electron gun to a particular application can be done by changing the diameter of the cathode wire 21 and / or the value of the resistance heating current. For example, such a diameter may be in the range of 0.1 mm to 0.25 mm, and the resistance heating current may be in the range of 2 A to 3.5 A. An important aspect of the design is the fact that the focusing coil 8 covers practically the entire electron optics system, thanks to which electrons in the entire system move in a uniform magnetic field. While the tested sample is relatively close in relation to the length of the focusing coil 8, the electron beam bombarding its surface should be well focused.

Jedynymi elementami konstrukcji nie posiadającymi symetrii osiowej działa są, cewka ogniskująca 8 oraz moduł katody 2. Cewka ogniskująca 8 jest spiralnie ukształtowanym drutem miedzianym, którego końce są wyprowadzone równolegle do osi cewki po jej zewnętrznej stronie. Konstrukcja moPL 228 555 B1 dułu katody 2 została przedstawiona w szczegółach na fig. 3-5. Moduł katody 2 składa się z cylindrycznej ceramiki 22 z czterema kanałami wzdłuż osi cylindra, przez które przeprowadzone są dwa druty wolframowe 23 wygięte w kształcie litery U, pełniące rolę doprowadzeń elektrycznych do katody 21. Do punktów środkowych wygięcia drutów 23 zgrzewana jest katoda 21 uformowana w kształt litery V. Dodatkowo oprócz otworów prowadzących podłączenia elektryczne w ceramice 22 znajdują się cztery symetrycznie rozmieszczone (w pobliżu zewnętrznej krawędzi cylindra 22) otwory 24, które mają na celu odprowadzanie gazów resztkowych z wnętrza objętości działa elektronowego. Moduł katody 2, jak już wspomniano wcześniej, wprowadzany jest do wnętrza cylindra Wenhelta 3, a następnie mocowany jest przy pomocy bocznej śruby kontrującej. Dzięki temu podczas montażu możliwe jest dopasowanie odległości pomiędzy wierzchołkiem katody V 22 a aperturą cylindra Wenhelta 3. Pomimo, że moduł katody 2 nie posiada symetrii osiowej, to emisja termiczna elektronów dla odpowiednio dobranego prądu żarzenia występuje w punkcie największej krzywizny, a zatem na czubku katody 21. To powoduje, że w zasadzie katoda 21 typu V może być dla odpowiednich parametrów elektrycznych uznana za punktowe źródło elektronów, oraz że w przypadku pracy urządzenia w atmosferze reaktywnego gazu roboczego zminimalizuje się jego wpływ na emisję elektronów.The only elements of construction not having axial symmetry of the gun are the focusing coil 8 and the cathode module 2. The focusing coil 8 is a helically shaped copper wire whose ends extend parallel to the coil axis on the outer side thereof. The construction of the cathode module 2 is shown in detail in Figs. 3-5. The cathode module 2 consists of cylindrical ceramics 22 with four channels along the axis of the cylinder, through which two U-bent tungsten wires 23 are led, acting as electrical leads to the cathode 21. The cathode 21 is welded to the center points of the bend of the wires 23. V-shaped. In addition to the electric connection guide holes, the ceramics 22 have four symmetrically arranged (near the outer edge of the cylinder 22) holes 24, which are intended to discharge residual gases from the inside of the electron gun volume. The cathode module 2, as mentioned earlier, is inserted inside the Wenhelt cylinder 3 and then fixed with a side counter screw. Thanks to this, during assembly it is possible to adjust the distance between the top of the V 22 cathode and the aperture of the Wenhelt 3 cylinder. Despite the fact that the cathode module 2 does not have axial symmetry, the thermal emission of electrons for a properly selected filament current occurs at the point of the greatest curvature, i.e. at the tip of the cathode 21. This means that, in principle, the V-type cathode 21 can be considered a point source of electrons for the relevant electrical parameters, and that when the device is operated in an atmosphere of reactive working gas, its influence on electron emission will be minimized.

Modułowa budowa działa elektronowego pozwala na sekwencyjny montaż najpierw cylindra Wenhelta 3, a następnie anody 5, co pozwala na kontrolowanie geometrii konstrukcji, w szczególności pozycji modułu katody 2 wewnątrz cylindra Wenhelta 3. Ma to znaczący wpływ na jakość eksperymentu, gdyż kluczowym zagadnieniem jest otrzymanie jak najbardziej równoległej wiązki elektronowej. Ważną cechą konstrukcyjną jest fakt, iż wszystkie elementy są od siebie odizolowane elektrycznie, przez co można precyzyjnie ogniskować wiązkę elektronową poprzez dobranie odpowiednich potencjałów poszczególnych elektrod.The modular structure of the electron gun allows the sequential assembly of the Wenhelt cylinder 3 and then the anode 5, which allows the geometry of the structure to be controlled, in particular the position of the cathode module 2 inside the Wenhelt cylinder 3. This has a significant impact on the quality of the experiment, as the key issue is to obtain most parallel electron beam. An important design feature is the fact that all elements are electrically insulated from each other, so that the electron beam can be precisely focused by selecting the appropriate potentials of individual electrodes.

Zastosowanie odpowiedniej elektroniki do pomiaru prądu elektronowego bombardującego próbkę, pozwala na wykorzystanie działa w dwóch trybach pomiaru. W trybie statycznym, mierząc charakterystykę prądowo-napięciową układu przy pomocy regulowanego źródła napięcia i miernika natężenia prądu przed i po celowej ingerencji zmierzającej do zmiany pracy wyjścia, można wyznaczyć zmianę pracy wyjścia poprzez pomiar przesunięcia tych charakterystyk. Jest to klasyczn y pomiar metodą Andersona. Działo elektronowe może również pracować w tzw. trybie dynamicznym tj. wykorzystuje się urządzenie działające w trybie źródła prądowego utrzymującego prąd elektronowy na określonym stałym poziomie. Napięcie niezbędne do podtrzymania zadanego natężenia prądu elektronowego równe jest przesunięciu charakterystyki na zdefiniowanej wysokości, a zatem zmianie pracy wyjścia próbki. Jest to metoda pozwalająca na pomiar w czasie rzeczywistym zmian pracy wyjścia badanej powierzchni. Działo elektronowe powinno być zamontowane na liniowym transferze próżniowym, gdyż ważnym elementem wpływającym na jakość pomiaru jest odległość działo elektronowe-próbka. Ponadto, aby w pełni wykorzystać możliwości urządzenia, działo elektronowe powinno mieć możliwość ustawienia wewnątrz komory próżniowej względem próbki w takiej geometrii, która pozwala na jednoczesne parowanie i pomiar w trybie dynamicznym. Najczęściej wiąże się to z potrzebą odsunięcia działa elektronowego tak, aby nie przesłaniało strumienia adsorbatu padającego na próbkę. Stąd też potrzeba zamontowania urządzenia na próżniowym transferze liniowym o przesuwie min. 50 mm.The use of appropriate electronics to measure the electron current bombarding the sample allows the gun to be used in two measurement modes. In static mode, by measuring the current-voltage characteristics of the system with an adjustable voltage source and a current meter before and after a deliberate interference aimed at changing the output operation, it is possible to determine the change in the output operation by measuring the shift of these characteristics. This is the classic Anderson measurement. The electron gun can also work in the so-called dynamic mode, i.e. a device operating in the current source mode that maintains the electron current at a certain constant level is used. The voltage necessary to maintain the given electron current is equal to the shift of the characteristic at a defined height, and thus the change of the sample output operation. It is a method that allows real-time measurement of changes in the work of the output of the tested surface. The electron gun should be mounted on a linear vacuum transfer, because the distance between the electron gun and the sample is an important factor affecting the quality of the measurement. Moreover, in order to take full advantage of the device's capabilities, the electron gun should be able to position inside the vacuum chamber relative to the sample in such a geometry that allows simultaneous evaporation and measurement in a dynamic mode. Most often it is connected with the need to move the electron gun aside so that it does not obscure the adsorbate stream falling on the sample. Hence the need to mount the device on a vacuum linear transfer with a displacement of min. 50 mm.

Dodatkowo działo elektronowe może zostać wyposażone w metalową osłonę magnetyczną. Po pierwsze osłona ta nie dopuszcza, aby rozkład potencjałów elektrycznych i pola magnetycznego wewnątrz był zaburzony przez czynniki zewnętrzne. Po drugie nie wprowadza do aparatury, w której zamontowana jest konstrukcja, zbędnych pól elektromagnetycznych, które mogą zakłócać pracę innych urządzeń. Ze względu na to, iż zazwyczaj tego rodzaju urządzenia znajdują się w pobliżu źródeł gazów lub urządzeń służących do naparowywania cienkich warstw, osłona chronić może dodatkowo wewnętrzne elementy (np. ceramiki izolujące) przed zabrudzeniem i utratą założonych parametrów.Additionally, the electron gun can be equipped with a metal magnetic shield. First, the shield prevents the distribution of electric potentials and the magnetic field inside from being disturbed by external factors. Secondly, it does not introduce unnecessary electromagnetic fields into the apparatus in which the structure is mounted, which may interfere with the operation of other devices. Due to the fact that such devices are usually located near gas sources or devices for vaporizing thin layers, the cover can additionally protect internal elements (e.g. insulating ceramics) against dirt and loss of parameters.

Potencjalnie urządzenie może w przyszłości zostać rozbudowane o układ chłodzenia wodnego, co ze względu na wysoką temperaturę niezbędną do emisji elektronów z katody 21, może poprawić stabilność parametrów pracy urządzenia, szczególnie podczas długiej pracy ciągłej.Potentially, the device may in the future be expanded with a water cooling system, which, due to the high temperature necessary to emit electrons from the cathode 21, may improve the stability of the device's operating parameters, especially during long continuous operation.

Claims

Patent claims

1. Electron gun with magnetic focus, containing a cathode module (2), Wehnelt cylinder (3), anode (5) and a focusing coil (8), characterized in that the Wehnelt cylinder (3) consists of a substantially circular flat base with an opening central and sleeve

PL 228 555 B1 extending coaxially from the flat base of the Wehnelt cylinder (3), while the anode (5) consists of a substantially circular flat base with a central hole and a sleeve extending coaxially from the flat base of the anode (5), with the inner diameter of the anode sleeve (5) is greater than the outer diameter of the Wehnelt cylinder sleeve (3), and the outer diameter of the anode sleeve (5) is greater than the inner diameter of the focusing coil (8), so that in the folded state the cathode module (2) is placed in the Wehnelt cylinder sleeve (3) which is housed in the anode sleeve (5), the focusing coil being superimposed on the anode sleeve (5) such that it covers substantially the entire length of the anode sleeve (5).

2. Electron gun according to claim 1, An insulating cylinder (7), preferably of glass, is provided between the anode sleeve (5) and the focusing coil (8).

3. Electron gun according to claim 1, The method of claim 1 or 2, characterized in that a first planar shutter (4) with a first aperture is provided at the end of the Wehnelt cylinder sleeve (3) opposite the substantially circular planar base.

4. Electron gun according to any one of claims 1 to 5; characterized in that a second flat shutter (6) with a second aperture is provided at the end of the anode sleeve (5) opposite the substantially round flat base.

5. Electron gun as claimed in any one of claims 1 to 5; from 1 to 4, characterized in that it additionally comprises a mounting plate (1) with a central hole and mounting holes.

An electron gun as claimed in any one of claims 1 to 5; characterized in that the cathode module (2) is a directly heated hairpin cathode (21), preferably tungsten.

7. Electron gun as claimed in claim 1, 6. The method of claim 6, characterized in that the cathode module (2) comprises an insulating sleeve (22), preferably ceramic.

8. Electron gun according to claim 1, The insulating sleeve (22) has a plurality of circumferentially spaced outlets (24) as claimed in claim 7.

9. An electron gun as claimed in any one of claims 1 to 9; 5 to 8, characterized in that the Wehnelt cylinder base (3) has a series of circumferentially spaced mounting holes, aligned with the mounting holes of the mounting plate (1).

10. Electron cannon as claimed in any one of claims 1 to 10. from 5 to 9, characterized in that the anode base (5) has a number of circumferentially spaced notches in line with the mounting holes of the mounting plate (1) and the Wehnelt cylinder (3).