DE112010002063B4

DE112010002063B4 - Feldemissions-Elektronenkanone und Elektronenstrahlvorrichtung mit einer solchen Feldemissions-Elektronenkanone

Info

Publication number: DE112010002063B4
Application number: DE112010002063.9T
Authority: DE
Inventors: Mikio Ichihashi; Takashi Onishi; Shunichi Watanabe; Keiji Tamura
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2030-04-15
Also published as: JP5386229B2; WO2010134259A1; JP2010272381A; US8669535B2; US20120062094A1; DE112010002063T5

Abstract

Feldemissions-Elektronenkanone, bei der aus einer Kathode ein Elektronenstrahl extrahiert wird und der extrahierte Elektronenstrahl gebündelt wird, miteiner Magnetfeldlinse (207, 209), die derart angeordnet ist, daß sich die Kathode innerhalb des Magnetfeldes der Linse befindet; und miteiner Extraktionselektrode (203, 403, 503, 603, 703) zum Extrahieren von Elektronen aus der Kathode,dadurch gekennzeichnet, dassdie Extraktionselektrode eine zylindrische Form mit konstantem Innendurchmesser (d) ohne Blendenstruktur aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronenkanone und insbesondere eine Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone (Kalt-FE-Elektronenkanone) mit einem Elektronenstrahl hoher Leuchtkraft.
Stand der Technik
Bei einem Elektronenmikroskop wird das zu betrachtende Material (die Probe) mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, der von einer Elektronenkanone ausgesendet wird, wobei der Elektronenstrahl mittels eines elektronenoptischen Systems wie einer Elektronenlinse und einem Deflektor gesteuert wird. Das Prinzip des Elektronenmikroskops liegt darin, Transmissionselektronen, die die bestrahlte Probe durchsetzt haben, reflektierte Elektronen und Sekundärelektronen zu erfassen, die durch die Wechselwirkung zwischen der Probe und dem Elektronenstrahl erzeugt wurden, und damit die Probe vergrößert zu betrachten. Die Elektronenkanone zum Erzeugen des Elektronenstrahls spielt bei diesem Elektronenmikroskop eine wichtige Rolle.
Bei einem typischen Aufbau des Elektronenmikroskops umfaßt die Elektronenkanone zum Erzeugen des Elektronenstrahls eine Kombination aus einem Bestrahlungssystem, einer elektromagnetischen Linse wie einer Objektivlinse und einer Erfassungsvorrichtung für den Elektronenstrahl. Die elektromagnetische Linse hat die Funktion, den Elektronenstrahl so zu führen und zu bündeln, daß er die Probe bestrahlt.
Um in kurzer Zeit ein klares Beobachtungsbild mit hoher Auflösung zu erhalten, ist es erforderlich, die Probe mit einem hellen Elektronenstrahl (einem großen Strahlstrom) zu bestrahlen, der auf einen kleinen Punkt auf der Probe konvergiert wird. Um auf der Probe einen kleinen und hellen Elektronenstrahlpunkt auszubilden, ist es erforderlich, die Leuchtkraft der Elektronenkanone zu erhöhen. Die Leuchtkraft eines Elektronenstrahls ist definiert als die Größe des Stroms pro Fläche pro Raumwinkel der Lichtquelle, und nach den Prinzipien der Elektronenoptik kann die Leuchtkraft eines Elektronenstrahls, der eine elektromagnetische Linse ohne Änderung seiner Energie durchläuft, nicht die ursprüngliche Leuchtkraft überschreiten. Aus diesem Grund ist eine Elektronenkanone hoher Leuchtkraft erforderlich, um ein Elektronenmikroskop mit hoher Leuchtkraft zu erhalten.
Für Elektronenmikroskope mit hoher Auflösung werden gern Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanonen (C-FE-Elektronenkanonen) als Elektronenkanonen mit hoher Leuchtkraft verwendet. Gemäß dem Prinzip der Elektronenstrahlerzeugung wird bei solchen Elektronenkanonen am vorderen Ende eines Wolfram-Einkristalls, der durch eine Elektrofeldpolitur sehr spitz gemacht wurde, ein starkes elektrisches Feld erzeugt, das einen Elektronenstrahl extrahiert. Die Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone entspricht mehr als alle anderen Arten von Elektronenquellen einer Punktlichtquelle, so daß ein Elektronenstrahl mit hoher Leuchtkraft erhalten wird. Außerdem kann mit einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone ein Elektronenstrahl erzeugt werden, in dem die Energiefluktuationen (die Energiebreite ΔE) der einzelnen Elektronen im extrahierten Elektronenstrahl klein ist.
Bisher werden vor allem Elektronenkanonen verwendet, die durch das Kombinieren einer solchen Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone mit einer elektrostatischen Linse, wie sie von Butler und anderen 1966 eingeführt wurde, erhalten werden.
Die 1 zeigt den Aufbau einer typischen Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone mit einer elektrostatischen Linse vom Butler-Typ. Eine Extraktions-Spannungsquelle 105 erzeugt zwischen einer Elektronenquelle 101 und einer Extraktionselektrode 110 eine Potentialdifferenz (V₁), die am vorderen Ende der Elektronenquelle 101 (in der 1 dem unteren Ende der Elektronenquelle 101) ein elektrisches Feld erzeugt. Das elektrische Feld führt zu einer Feldemission an der Elektronenquelle 101, und es wird ein Elektronenstrahl emittiert. Ein Teil des emittierten Elektronenstrahls läuft durch eine Blende 109 in der Extraktionselektrode 110 und wird durch die elektrostatische Linsenwirkung des von Elektroden 103 und 104 vom Butler-Typ zwischen der Extraktionselektrode 110 und einer Anode 107 gebildeten elektrischen Feldes gebündelt. Dabei wird dieser Teil des emittierten Elektronenstrahls durch die Potentialdifferenz (V₀ - V₁) zwischen der Extraktionselektrode und der Anode beschleunigt (wenn der Betrag des Beschleunigungspotentials |V₀| > dem Betrag des Extraktionspotentials |V₁| ist) oder abgebremst (wenn |V₀| < |V₁| ist) und zur Probe hin abgegeben.
Aufgrund dieses Aufbaus ist die Elektronenkanone relativ klein, was für die Erzeugung eines Ultrahochvakuums günstig ist. Außerdem hat dieser Aufbau den Vorteil, daß die elektrostatische Linse den Elektronenstrahl gleichzeitig beschleunigen und bündeln kann.
Ungünstigerweise ist jedoch bei dieser Elektronenkanone der entnehmbare Gesamtstrom kleiner als bei anderen Arten von Elektronenquellen, etwa einer Schottky-Elektronenquelle, und wenn ein großer Strom entnommen werden soll, ist es erforderlich, einen Elektronenstrahl zu verwenden, der von einem Chip unter einem großen Winkel abgegeben wird. Andererseits nimmt bei einer solchen Elektronenkanone die Leuchtkraft (effektive Leuchtkraft) aufgrund des Einflusses der Aberration der elektrostatischen Linse wieder ab, wenn mehrere Prozent des vom Chip (der Kathode) emittierten Gesamtstroms entnommen werden. Je größer der entnommene Strom ist, um so stärker zeigt sich dieser Effekt. Es ist schwierig, die Aberration der elektrostatischen Linse zu verringern. Aus diesem Grund werden bei Untersuchungs-Elektronenmikroskopen, bei denen für eine elementare Analyse oder für eine andere Analyse ein hoher Strahlstrom erforderlich ist, die Leuchtkraft und die Energiebreite auf den zweiten Platz gesetzt, und es wird in vielen Fällen eine andere Elektronenquelle verwendet, etwa eine Schottky-Elektronenquelle (eine Heißkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone).
Es wurde vorgeschlagen, zur Erhöhung der Leuchtkraft der Elektronenkanone bei der herkömmlichen Heißkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone zum Bündeln des Elektronenstrahls eine Magnetfeldlinse zu verwenden.
Zur Verringerung der Aberration wurde vorgeschlagen, einen Aufbau mit einer größeren Anzahl von Elementen (als Aufbau vom Immersionstyp bezeichnet) zu verwenden, bei dem die Elektronenquelle sich im Inneren eines Magnetfeldes befindet. Der in der Patentliteratur 1 beschriebene Aufbau ist von einer solchen Art, wobei sich unmittelbar unter einer Elektronenkanone eine durch ein Magnetfeld gebildete Sammellinse befindet. In den Patentliteraturstellen 2 bis 7 sind bekannte Beispiele für den Aufbau vom Immersionstyp beschrieben.
Die Aufbauten enthalten bei diesen bekannten Beispielen generell eine Heißkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone und unterscheiden sich darin stark von einem Aufbau mit einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone, daß ein Fanggitter vorgesehen ist. Das Fanggitter, das für die Heißkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone kennzeichnend ist, hat die Aufgabe, thermische Elektronen zu entfernen, die von dem Heizfaden neben der Elektronenquelle emittiert werden, wobei die thermischen Elektronen mit einem negativen Potential an der Elektronenquelle zum Fanggitter geführt werden.
Bei der Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone gibt es keinen Heizfaden, so daß keine thermischen Elektronen emittiert werden und kein Fanggitter erforderlich ist. Bei der Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone ist neben der Elektronenquelle nur die Extraktionselektrode angeordnet, die dazu dient, am vorderen Ende der Elektronenquelle ein großes elektrisches Feld zu erzeugen, um an diesem vorderen Ende eine Feldemission herbeizuführen.
Wegen dieser Unterschiede im Aufbau ist der optimale Aufbau bei einer Heißkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone ein anderer als bei einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone, auch wenn es sich um eine Elektronenkanone vom Immersionstyp mit einer Magnetfeldlinse handelt. Daher kann wegen der später noch erläuterten Gründe mit den bekannten Aufbauten bei einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone keine hohe Leistung erhalten werden.
Zitierliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: JP S64 - 76654 A

Patentliteratur 2: JP H02 - 297 852 A
Patentliteratur 3: JP 2000-3689 A
Patentliteratur 4: JP 2000-90866 A
Patentliteratur 5: JP 2000-285839 A
Patentliteratur 6: JP H06 - 162 979 A
Patentliteratur 7: JP 2006-210254 A

Außerdem offenbart US 6392333 B1 eine Feldemissions-Elektronenkanone, von der der Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche ausgeht. Verwandter Stand der Technik ist in US 2007/0085018 A1 , US 5155412 A und US 4295072 A offenbart.
Darstellung der Erfindung
Technisches Problem
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone mit geringer Aberration auch bei hohem Strom zu schaffen, um so eine Elektronenkanone mit hoher Leuchtkraft zu erhalten. Außerdem soll eine Elektronenstrahlvorrichtung mit einer solchen Elektronenkanone bereitgestellt werden.
Lösung des Problems
Die obige Aufgabe wird durch eine Feldemissions-Elektronenkanone und eine Elektronenstrahlvorrichtung nach den anhängenden Patentansprüchen gelöst.
Anders ausgedrückt umfaßt die vorliegende Einrichtung eine Feldemissions-Elektronenkanone mit einer Magnetfeldlinse, die so angeordnet ist, daß sich die Kathode innerhalb des Magnetfelds der Linse befindet, wobei die Konvergenzwirkung des Magnetfelds der Magnetfeldlinse größer ist als die Konvergenzwirkung eines elektrischen Feldes, das zum Beschleunigen des Elektronenstrahls zwischen der Extraktionselektrode zum Extrahieren von Elektronen aus der Kathode und einer Anode ausgebildet wird.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Elektronenkanone mit einer Funktion zum Bündeln des Elektronenstrahls mittels eines Magnetfelds, wobei bei der Elektronenkanone die immer in geringem Umfang vorhandene elektrostatische Linsenwirkung herabgesetzt ist, so daß die Elektronenkanone eine geringe Aberration und eine hohe Leuchtkraft aufweist.
Figurenliste

1 zeigt den Aufbau einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone mit einer elektrostatischen Linse vom Butler-Typ.
2 zeigt den Aufbau einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone vom Immersions-Typ gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt den Aufbau einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone vom Immersions-Typ gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt den Aufbau einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone vom Immersions-Typ gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt den Aufbau einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone vom Immersions-Typ gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt den Aufbau einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone vom Immersions-Typ mit einer Beschleunigerröhre und einer Beschleunigungsspannung von 100 kV bis 300 kV gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt den Aufbau einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone vom Immersions-Typ gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Stärke des elektrischen Feldes am vorderen Ende eines Chips bei einer zylindrischen Extraktionselektrode.
9 zeigt das Ergebnis einer theoretischen Analyse der Leuchtkraft einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone vom Magnetfeld-Immersionstyp und der Leuchtkraft einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone mit einer elektrostatischen Linse vom Butler-Typ.
10 zeigt einen Vergleich zwischen der Leuchtkraft einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone vom Magnetfeld-Immersionstyp und der Leuchtkraft davon, wenn der Innendurchmesser des kleinsten Teils einer Extraktionselektrodenblende 1 mm bzw. 2 mm beträgt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsformen näher beschrieben.
Ausführungsform 1
Die 2 zeigt eine Art einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone vom Immersionstyp als beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 2 zeigt den Aufbau der Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung. In einem Vakuumbehälter (nicht gezeigt) sind eine Elektronenquelle 101, ein Elektronenquellenhalter 102, eine Extraktionselektrode 203, eine Anode 204, ein magnetischer Pfad 207 und ein Permanentmagnet 209 angeordnet. Das Innere des Vakuumbehälters wird auf einem ultrahohen Vakuum von etwa 10^-8 Pa gehalten. Von einer Beschleunigungs-Spannungsversorgung 106 wird bezüglich eines geerdeten Abschnitts 108 an die Elektronenquelle 101 ein Potential V₀ (eine negative Spannung) angelegt. Mit Bezug zu diesem Elektronenquellenpotential wird von einer Extraktions-Spannungsquelle 105 eine Spannung V₁ (eine positive Spannung von mehreren Kilovolt) an die Extraktionselektrode 203 angelegt. Das Potential V₁ bewirkt eine Feldemission, so daß die Elektronenquelle 101 einen Elektronenstrahl (mit der Energie V₀ - V₁) emittiert. Dieser Elektronenstrahl wird von einer Magnetfeldlinse (bei der vorliegenden Ausführungsform dem Magnetfeld, das auf dem Weg des Elektronenstrahls durch den Permanentmagnet 209 und den magnetischen Pfad 207 erzeugt wird) gebündelt und zur Anode 204 hin beschleunigt. Dabei wird die Magnetfeldlinse nicht von einem Elektromagnet erzeugt, sondern von dem Permanentmagnet 209. Der Permanentmagnet 209 wird deshalb ausgewählt, weil es schwierig ist, einen Elektromagneten im Ultrahochvakuum im Hochspannungsabschnitt der Elektronenkanone unterzubringen. Das vom Permanentmagnet 209 und dem magnetischen Pfad 207, der aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität wie Permalloy besteht, erzeugte magnetische Feld ist statisch, so daß die Stärke davon nicht eingestellt werden kann. Die effektive Stärke der Magnetfeldlinse kann nur dadurch geändert werden, daß die Elektronenquelle 201 hinsichtlich des Magnetfeldes auf und ab bewegt wird, wodurch eine Einstellung der elektronenoptischen Bedingungen wie der Position der virtuellen Lichtquelle möglich ist. Der Elektronenquellenhalter 102 enthält deshalb einen Positionseinstellmechanismus (nicht gezeigt).
Die Extraktionselektrode 203 hat die Form eines Zylinders, der an der Anodenseite offen ist und keine Blendenstruktur aufweist. Da die Extraktionselektrode am vorderen Ende der Elektronenquelle ein hohes elektrisches Feld erzeugen soll, scheint es erforderlich, die Extraktionselektrode zwischen der Elektronenquelle und der Anode anzuordnen. Die 1 zeigt den typischen Aufbau einer herkömmlichen Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone mit einer becherförmigen Extraktionselektrode 110 mit einer Blendenstruktur auf der Anodenseite der Elektronenquelle.
Im Gegensatz dazu enthält bei der vorliegenden Ausführungsform die Extraktionselektrode 203 keine Blendenstruktur.
Das vordere Ende der Elektronenquelle 101 ist eine scharfe Spitze mit einem Durchmesser von einigen Mikrometern. Demgegenüber hat die Extraktionselektrode eine makroskopische Struktur mit Abmessungen im Bereich von zehn Millimetern bis zu einigen zehn Millimetern. Wenn das vordere Ende der Kathode die Form einer Halbkugel mit einem Krümmungsradius r (bis zu 1 µm) hat und der Abstand zwischen der Anode und der Kathode gleich R (bis zu 10 mm) ist sowie die Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode gleich V, läßt sich die Stärke F des elektrischen Felds am vorderen Ende der Kathode ausdrücken durch $F = 2 V / {{rlog}_{e} (4 R / r)} .$
Aus der Beziehung zwischen R und r geht hervor, daß die Stärke F des elektrischen Felds nahezu unabhängig von R fast nur von V und r abhängt. Diese Asymmetrie zeigt, daß die Stärke des elektrischen Felds am vorderen Ende der Elektronenquelle im wesentlichen von der Struktur der Elektronenquelle wie dem Durchmesser des vorderen Endes der Elektronenquelle abhängt und kaum von der Position und der Struktur der Extraktionselektrode. Auch bei einer zylindrischen Extraktionselektrode tritt daher eine Feldemission auf. Bei der vorliegenden Erfindung wird von diesem Effekt Gebrauch gemacht.
Die 8 zeigt die Beziehung (als Ergebnis einer theoretischen Analyse) zwischen der angelegten Spannung und der Stärke des elektrischen Feldes am vorderen Ende eines Chips bei einer gegebenen zylindrischen Extraktionselektrode. Die horizontale Achse gibt den Innendurchmesser d der gegebenen Extraktionselektrode an und die vertikale Achse die Extraktionsspannung (V₁), die erforderlich ist, um ein elektrisches Feld von 4 × 10¹⁹ V/m (berechneter Wert) am vorderen Ende des Chips zu erzeugen.
Eine zylinderförmige Extraktionselektrode ohne Blendenstruktur hat den Vorteil, daß keine diskontinuierlichen Punkte im Potentialgradient im Blendenabschnitt auftreten und daß der elektrostatische Linseneffekt zwischen der Extraktionselektrode 203 und der Anode 204 verringert ist. Die vorliegende Erfindung hat darüberhinaus den Vorteil, daß der Elektronenstrahl nicht von einer elektrostatischen Linsenstruktur mit einer großen Aberration, sondern von einer Magnetfeldlinse gebündelt wird, so daß die Gesamt-Aberration der Elektronenkanone abnimmt. Es ist dabei wünschenswert, den Bündelungseffekt des elektrischen Feldes so weit wie möglich zu verringern. Die Extraktionselektrode ist daher zur Anodenseite hin offen, und es befindet sich keine Blendenstruktur im Weg des Elektronenstrahls, so daß die Bündelungskraft des elektrischen Feldes abgeschwächt ist. Im Ergebnis ist die Aberration gering.
Die 9 zeigt einen Vergleich zwischen dem Ergebnis einer theoretischen Analyse der Leuchtkraft einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone vom Magnetfeld-Immersionstyp mit einer gegebenen Form und einer herkömmlichen Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone (die nicht vom Magnetfeld-Immersionstyp ist). Die horizontale Achse des Diagramms stellt den Probenstrom dar und die vertikale Achse die durch die Analyse bestimmte Leuchtkraft. Wenn von dem vom Chip emittierten Strom nur der unter einem kleinen Winkel in der Nähe des Mittelpunktes emittierte Strom verwendet wird, fällt die Leuchtkraft der Elektronenkanone mit der Leuchtkraft an der Achse zusammen, so daß die Leuchtkraft der Elektronenkanone vom Immersionstyp und die Leuchtkraft der herkömmlichen Elektronenkanone gleich sind (am rechten Ende des Diagramms). Wenn die Größe des entnommenen Stroms durch das Sammeln des unter einem größeren Winkel emittierten Stroms zunimmt, nimmt die Leuchtkraft aufgrund des Einflusses der Aberration der Elektronenkanone ab. Das Diagramm zeigt, daß bei einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone vom Magnetfeld-Immersionstyp mit kleiner Aberration der Strom bei gleichbleibender Leuchtkraft in einer größeren Menge entnommen werden kann. Der Vergleich zeigt somit, daß bei einer Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone vom Immersionstyp mit gleichbleibender Leuchtkraft mehr Strom erhalten werden kann, der an der Stelle, an der die Leuchtkraft beginnt abzunehmen, etwa um das zehnfache größer ist als bei der herkömmlichen Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone.
Ausführungsform 2
Es wird nun eine Modifikation der Ausführungsform 1 beschrieben. Auch wenn die Form der Extraktionselektrode nicht vollständig zylindrisch ist und die Extraktionselektrode eine schwach ausgebildete Blendenstruktur aufweist, kann dadurch das Ziel erreicht werden, den Elektronenstrahl hauptsächlich durch die Magnetfeldlinse zu bündeln, während die Bündelungskraft und die Aberration der elektrischen Feldlinse gering bleiben.
Die 3 zeigt einen Fall, bei dem die Extraktionselektrode keine zylindrische Form hat. In der 3 ist ein vorstehender Teil so ausgebildet, daß die Extraktionselektrode 303 keine Linsenwirkung durch das elektrische Feld erzeugt. Der Innendurchmesser 310 des kleinsten Teils der Öffnung der Extraktionselektrode ist dabei gleich oder größer als 2 mm.
Die 10 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer theoretischen Analyse, wenn dem Diagramm der 9 die Ergebnisse einer theoretischen Analyse für angenommene Formen mit einem Innendurchmesser ds des kleinsten Teils der Extraktionselektrode von 1 mm und 2 mm überlagert werden. Wenn der Innendurchmesser des kleinsten Teils 1 mm beträgt, nimmt die Leuchtkraft im wesentlichen auf die gleiche Art ab wie bei der herkömmlichen Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone. Wenn der Innendurchmesser des kleinsten Teils 2 mm beträgt, ist die Abnahme der Leuchtkraft kleiner und liegt näher an der Kurve für die Elektronenkanone vom Immersionstyp (mit zylindrischer Elektrode). Das Diagramm zeigt, daß der Innendurchmesser des kleinsten Teils 2 mm oder größer sein muß, wenn von den Vorteilen der Elektronenkanone vom Immersionstyp Gebrauch gemacht werden soll.
Ausführungsform 3
Unabhängig davon, ob das anodenseitige Ende der Extraktionselektrode sich bezüglich der Elektronenquelle an der Anodenseite oder der Kathodenseite befindet, kann somit das Ziel erreicht werden, den Elektronenstrahl im wesentlichen durch die Magnetfeldlinse zu bündeln, während die Bündelungskraft und die Aberration der elektrischen Feldlinse gering sind.
Die 4 und die 5 zeigen bezüglich der Position des anodenseitigen Endes der Extraktionselektrode weitere Ausführungsformen.
In der 4 erstreckt sich die Extraktionselektrode 403 derart zur Anode 404, daß sie länger ist als die Extraktionselektrode 203 der 2. Die Extraktionselektrode 403 kann sich über die Unterseite 410 des magnetischen Pfades hinaus zur Anode 204 erstrecken und so den gesamten Permanentmagneten 209 und den magnetischen Pfad 207 vom Weg des Elektronenstrahls aus gesehen verdecken. Auch in diesem Fall ist der Linseneffekt des elektrischen Feldes nicht sehr groß. Wie in der 5 gezeigt, kann das anodenseitige Ende der Extraktionselektrode 503 sich auch an einer Stelle befinden, die höher liegt als die Elektronenquelle 101 (auf der der Anode 204 gegenüberliegenden Seite).
Anhand der 7 wird eine Modifikation der Ausführung der 4 beschrieben. In der 7 erstreckt sich die Extraktionselektrode 703 noch weiter zur Anode 204, und es ist ein plattenförmiger Abschnitt ausgebildet, der den magnetischen Weg 207 abdeckt. In der 7 deckt die Extraktionselektrode 703 den magnetischen Weg 207 gegenüber der Anode 204 ab, so daß gestreute Elektronen 711, die auf die Anode 204 treffen und davon zurückgestreut werden, nicht den magnetischen Weg 207 erreichen. Damit wird eine Gasemission aus dem magnetischen Weg 207 aufgrund des Auftreffens der gestreuten Elektronen 711 vermieden. Die Extraktionselektrode 703 wird dabei einer Oberflächenbehandlung wie einer Beschichtung mit Gold unterzogen, um die Gasemission daraus zu verringern, wenn die gestreuten Elektronen 711 darauf auftreffen, und die Extraktionselektrode 703 wird von einer Heizvorrichtung 710 zum Entgasen ausreichend aufgeheizt, bevor die Elektronenkanone benutzt wird. Die Heizvorrichtung 710 und die Extraktionselektrode 703 sind dabei vorzugsweise vom magnetischen Weg 207 thermisch isoliert, wozu eine Abdeckung zwischen den beiden Elementen und dem magnetischen Weg 207 angebracht wird oder ein thermischer Isolator. Durch die thermische Isolation wird vermieden, daß der Permanentmagnet 209 durch das Aufheizen mit der Heizvorrichtung 710 thermisch entmagnetisiert wird.
Ausführungsform 4
Die Anordnungen der Ausführungsformen 1 bis 3 können leicht auch bei einer Hochdruck-Elektronenkanone mit einer Beschleunigerröhre verwendet werden. Die 6 zeigt den Aufbau einer Elektronenkanone vom Immersionstyp mit einer Beschleunigerröhre und einer Beschleunigungsspannung von 100 kV bis 300 kV. Auch bei diesem Aufbau wird die Spannung V₀ an die Elektronenquelle 101 angelegt und an die Extraktionselektrode 603 bezüglich der Elektronenquelle 101 das Potential V₁, so daß von der Elektronenquelle ein Elektronenstrahl emittiert wird. Dieser Elektronenstrahl wird zuerst von der Potentialdifferenz zwischen einer zweiten Anode 604, die auf dem Potential V₂ liegt, und der Elektronenquelle beschleunigt. Der Elektronenstrahl wird dann im Inneren der Beschleunigerröhre (nicht gezeigt) an den Zwischenelektroden 610 bis 613 weiter beschleunigt, bis er die Anode 614 erreicht, die auf Massepotential liegt. Bei dem Aufbau der 6 ist der Durchmesser des Weges für den Elektronenstrahl an der zweiten Elektrode 604 und an den Zwischenelektroden 610 bis 613 jeweils mindestens so groß wie an der Extraktionselektrode 303 in der 3, wodurch der Linseneffekt des beschleunigenden elektrischen Feldes gering ist.
Ausführungsform 5
Bei der herkömmlichen Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone mit dem Aufbau der 1 wird ein großer Teil des von der Elektronenquelle 101 emittierten Elektronenstrahls von der Extraktionselektrodenblende 109 blockiert, und nur ein Teil der Elektronen durchläuft die Blende und wird zur Anode 107 hin beschleunigt. Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau der Elektronenkanone der 2 weist dagegen die Extraktionselektrode 203 keine Blendenstruktur auf, so daß die Anode 204 direkt mit dem Elektronenstrahl bestrahlt wird.
Bei der Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone der 2 ist in der Nähe der Anode 204 eine Heizvorrichtung 210 vorgesehen, und die Komponenten der Anode 204 werden im Vakuum vor Beginn des Betriebs der Elektronenkanone aufgeheizt, so daß im Betrieb kein Gas emittiert wird. Auch bei der Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone mit der Beschleunigerröhre der 2 ist in der Nähe der Anode 614 eine Heizvorrichtung 617 vorgesehen, so daß im Betrieb kein Gas emittiert wird.
Ausführungsform 6
Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird für die Magnetfeldlinse zum Bündeln des Elektronenstrahls ein Permanentmagnet verwendet. Bei den obigen Ausführungsformen befindet sich der Permanentmagnet im Vakuumbehälter und der Vakuumbehälter in einer Kammer für die Elektronenkanone. Die erfindungsgemäßen Auswirkungen werden dabei auch mit einem Magnet erhalten, der kein mit Titannitrid beschichteter Samarium-Kobalt-Magnet ist, ohne das das Vakuum in der Kammer für die Elektronenkanone schlechter wird.
Nicht auf das erwähnte Verfahren beschränkt zeigten Experimente, daß, wenn ein Permanentmagnet verwendet wird, der mit Titannitrid beschichtet ist (zum Beispiel ein Samarium-Kobalt-Magnet), der Magnet direkt in die Kammer für die Elektronenkanone gebracht werden kann, ohne daß das Vakuum in der Kammer für die Elektronenkanone schlechter wird. Der Permanentmagnet kann auch außerhalb der Kammer für die Elektronenkanone angeordnet werden. Auch bei einem solchen Aufbau werden die Auswirkungen der vorliegenden Erfindung erhalten, ohne daß das Vakuum in der Kammer für die Elektronenkanone schlechter wird.
In der obigen Beschreibung wird angenommen, daß ein Permanentmagnet verwendet wird, aber auch wenn das Magnetfeld mit einer elektromagnetischen Spule erzeugt wird, können die Auswirkungen der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
Die beschriebenen Ausführungsformen ergeben eine Elektronenkanone mit einer kleineren Aberration als bei der herkömmlichen Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone. Auch wenn der Elektronenstrahl unter einem großen Winkel von der Elektronenquelle (mit einem großen Strom) abgegeben wird, kann so der Elektronenstrahl ohne Verzerrungen gebündelt und verwendet werden.
Wenn die Leuchtkraft in einem Elektronenmikroskop gleich der einer Standard-Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone sein soll, kann mit der vorliegenden Erfindung sichergestellt werden, daß die Menge des entnommenen Stroms nur etwa ein Zehntel des Stroms der herkömmlichen Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone ist. Es ist daher möglich, eine Hochleistungs-Elektronenkanone mit einer hohen Stabilität des emittierten Stroms und einer kleinen Energieverteilung ΔE der emittierten Elektronen zu erhalten.
Auch bei einem Elektronenmikroskop mit einem relativ großen Strom von 1 nA und mehr, zum Beispiel einem Elektronenmikroskop für elementare Analysefunktionen, kann daher ein Elektronenstrahl mit einem kleinen Punktdurchmesser und hoher Helligkeit erhalten werden.
Die vorliegende Erfindung kann bei den Elektronenquellen für ein Rasterelektronenmikroskop, ein Transmissionselektronenmikroskop, ein Rastertransmissionselektronenmikroskop und bei anderen Elektronenstrahlvorrichtungen verwendet werden, bei denen ein Elektronenstrahl benutzt wird.
Bezugszeichenliste

101: Elektronenquelle
102: Elektronenquellenhalter
103, 104: Elektrode vom Butler-Typ
105: Extraktions-Spannungsversorgung
106: Beschleunigungs-Spannungsversorgung
107, 204, 614: Anode
108: geerdeter Abschnitt
109: Extraktionselektrodenblende
110, 203, 303, 403, 503, 603: Extraktionselektrode
207: magnetischer Pfad
209: Permanentmagnet
210, 617, 710: Heizvorrichtung
310: Innendurchmesser des kleinsten Teils der Extrakti-onselektrodenblende
410: Unterseite der magnetischen Pfades
604: zweite Anode
610, 611, 612, 613: Zwischenelektrode
615: Vorwiderstand
616: V₂-Spannungsversorgung
703: Extraktionselektrode (die auch als Abschirmung dient)
711: gestreute Elektronen

Claims

Feldemissions-Elektronenkanone, bei der aus einer Kathode ein Elektronenstrahl extrahiert wird und der extrahierte Elektronenstrahl gebündelt wird, mit einer Magnetfeldlinse (207, 209), die derart angeordnet ist, daß sich die Kathode innerhalb des Magnetfeldes der Linse befindet; und mit einer Extraktionselektrode (203, 403, 503, 603, 703) zum Extrahieren von Elektronen aus der Kathode, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionselektrode eine zylindrische Form mit konstantem Innendurchmesser (d) ohne Blendenstruktur aufweist.
Feldemissions-Elektronenkanone, bei der aus einer Kathode ein Elektronenstrahl extrahiert wird und der extrahierte Elektronenstrahl gebündelt wird, mit einer Magnetfeldlinse (207, 209), die derart angeordnet ist, daß sich die Kathode innerhalb des Magnetfeldes der Linse befindet; und mit einer Extraktionselektrode (303) zum Extrahieren von Elektronen aus der Kathode, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionselektrode eine aufgrund eines nach innen vorstehenden Teils nicht vollständig zylindrische Form aufweist, wobei der vorstehende Teil so ausgebildet ist, dass er keine Linsenwirkung aufweist.
Feldemissions-Elektronenkanone nach Anspruch 2, wobei der vorstehende Teil einen Innendurchmesser (310, ds) von 2 mm oder mehr aufweist.
Feldemissions-Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Magnetfeldlinse von einem Permanentmagneten gebildet wird.
Feldemissions-Elektronenkanone nach Anspruch 4, mit einem Bewegungsmechanismus zum Verändern der Position der Kathode.
Feldemissions-Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Heizabschnitt (210, 617) zum Aufheizen einer Anode (204, 614) zum Beschleunigen des Elektronenstrahls.
Feldemissions-Elektronenkanone nach Anspruch 3, wobei das untere Ende der Extraktionselektrode eine der Anode gegenüberliegende Oberfläche aufweist.
Feldemissions-Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Heizabschnitt (710) zum Aufheizen der Extraktionselektrode.
Feldemissions-Elektronenkanone nach Anspruch 8, mit einer Anordnung zum thermischen Isolieren der Heizvorrichtung und der Extraktionselektrode vom magnetischen Pfad eines Permanentmagneten und des Permanentmagneten, um zu verhindern, daß der Permanentmagnet durch das Aufheizen der Heizvorrichtung thermisch entmagnetisiert wird.
Feldemissions-Elektronenkanone nach Anspruch 2, wobei der vorstehende Teil am Ende der Extraktionselektrode (303) angrenzend an einen zylindrischen Teil mit konstantem Innendurchmesser angeordnet ist.
Elektronenstrahlvorrichtung zum Bearbeiten und Untersuchen einer Probe mit einem Elektronenstrahl, wobei die Elektronenstrahlvorrichtung die Feldemissions-Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 3 umfaßt.