DE2929549C2

DE2929549C2 - Feldemissions-Elektronenkanone

Info

Publication number: DE2929549C2
Application number: DE2929549A
Authority: DE
Inventors: Satoru Kokubunji Tokyo Fukuhara; Yoshio Saitama Sakitani; Hideo Tokyo Todokoro
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-07-21
Filing date: 1979-07-20
Publication date: 1983-06-16
Also published as: GB2027267A; US4274035A; GB2027267B; JPS5516321A; NL7904601A; DE2929549A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Feldemissions-Elektronenkanone der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei einer solchen Feldemissions-Elektronenkanone wird ein starkes elektrisches Feld (von beispielsweise 10⁷ V/cm) an eine spitze Kathode (mit einem Krümmungsradius von beispielsweise 100 nm) angelegt, so daß diese infolge des Tunneleffekts Elektronen aussendet. Dies macht es möglich, Elektronenmikroskope mit weitaus größerer Helligkeit und kleineren Elektronenquellen, als es mit herkömmlicher thermischer Elektronenemission möglich ist, und mit hohem Auflösungsvermögen herzustellen.

Bei Verwendung von Feldemissions-Elektronenkanonen für Elektronenmikroskope ist es wünschenswert, zwei Energiewerte, nämlich einen Wert niedriger Energie (entsprechend beispielsweise ungefähr 5 kv) und einen Wert hoher Energie (entsprechend beispielsweise ungefähr 10 kV oder mehr) für die Energien des auf eine Probe treffenden Elektronenstrahls zur Verfügung zu haben. Der Grund hierfür ist, daß eine niedrige Energie den Vorteil mit sich bringt, eine Aufladung der Probe zu vermeiden, was die Beobachtung etwa von sehr seichten Oberflächenabschnitten der Probe gestattet, während mit einer hohen Energie der Astigmatismus vermindert werden kann, was die Verwirklichung eines Elektronenmikroskops mit hohem Auflösungsvermögen ermöglicht.

Bei der Feldemission-Eleklronenkanone ist jedoch der Emissionsstrom der Elektronen proportional dem angelegten elektrischen Feld, so daß ein hoher Energiewert (von beispielsweise ungefähr IGkV oder mehr) zu einer Erhöhung des Emissionsstromes und zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Kathode führt. Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde bislang eine Elektrode des Butler-Typs verwendet F i g, I ist eine Darstellung zur Erläuterung einer Feldemissions-Elektronenkanone, welche die Butler-Elektrode verwendet. Zur Erreichung einer Elektronenemission aus der Kathode 1 wird eine Ziehspannung Va (von beispielsweise ungefähr 5 kV) zwischen einer Kathode 1 und einer ersten Anode 2 mittels einer Gleichsp&nnungsquelle 3 angelegt. Emittierte Elektronen 9 werden zu einem Elektronenstrahl hoher Energie (von beispielsweise 15 kV) durch eine zweite Anode 5 beschleunigt, an welche eine Beschleunigungsspannung Vb mittels einer Gleichspannungsquelle 4 angelegt ist. Der Elektronenstrahl wird durch eine elektromagnetische Linse 6 fokussiert und auf eine Probe 7 projiziert In der Figur bezeichnet 8 ein Vakuumgehäuse.

Diese Methode hat den Nachteil, daß die erste Anode 2 und die zweite Anode 5 wegen ihrer Linsenwirkung eine Quelle für Astigmatismus darstellen, und ferner den Handhabungsnachteil, daß die Zentrierung beim Obergang zwischen hoher und niedriger Energie schwierig ist Daneben wird mit dieser Methode der Aufbau kompliziert, und zwei Hochspannungsquellen sind erforderlich.

Aus der US-Patentschrift 37 66 427 ist eine Feldemissions-Elektronenkanone der eingangs bezeichneten Gattung bekannt, die grundsätzlich den anhand von Fig. 1 erläuterten Aufbau und die dort erwähnten Schwierigkeiten aufweist

Bei dieser bekannten Elektronenkanone ist ferner die Kathode von einer Schirmelektrode umgeben, die auf dem gleichen elektrischen Potential liegt wie die Kathode und als Steuerelektrode wirkt. Ferner ist bei

J5 der bekannten Elektronenkanone die Kathode relativ zu dieser Elektrode bewegbar, jedoch nur zum Zweck der Fokussierung des emittierten Elektronenstrahls.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Feldemissions-Elektronenkanone drr eingangs genannten Gattung zu schaffen, welche eine Einrichtung aufweist, mit der ein einfaches Umschalten zwischen Elektronenstrahien niedriger und hoher Energie unter Konstanthaltung des Elektronenemissionsstroms möglich ist

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 angegeben. Durch die danach vorgesehene Umschaltung des an der Steuerelektrode liegenden Potentials in Kombination mit der Veränderbarkeit der relativen Lage von Kathode und Steuerelektrode wird es möglich, bei gleichem Emissionsstrom Elektronenstrahlen jeder gewünschten Energie zu erzeugen.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der übrigen Figuren der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

Fi g. 2 eine schematische Darstellung einer Feldemissions-Elektronenkanone und

Fig.3 eine Charakteristik der in Fig.2 gezeigten Elektronenkanone.

Fig.2 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Feldemissions-Elektronenkanone. Wie in der Figur dargestellt, ist eine Steuerelektrode 12 benachbart zu einer Kathode 11 angeordnet. Der von der Kathode 11 emittierte Elektronenstrom 19 wird durch eine elektronenoptische Linse 16 durch eine Anode 13 hindurch fokussiert und

auf eine Probe 17 projiziert. Alle Komponenten sind in einem Vakuumbehälter 18 angebracht. Die Kathode 11 und die Steuerelektrode 12 sind durch einen Isolator 21 isoliert und jeweils durch ein Hochspannungskabel mit einer isolierten Einrichtung verbunden, die eine Gleichspannungsquelle 15 und einen Schalter 14 enthält Durch Umschalten des Schalters 14 (Schaltpunkte SW, A, B) kann die Steuerelektrode 12 entweder mit Erdpotential oder mit dem gleichen Potential wie die Kathode 11 verbunden werden.

Wenn die Steuerelektrode 12 auf Erdpotential gelegt ist, ist die Energie des von der Kathode 11 emittierten Elektronenstrahls gleich der durch die Gleichspannungsquelle 15 angelegten Ziehspannung (beispielsweise 5 kV) und damit der niedrige Energiewert Wenn die Steuerelektrode 12 auf das gleiche Potential wie die Kathode 11 gelegt wird, schirmt die Steuerelektrode 12 das elektrische Feld gegenüber der Spitze der Kathode ab, so daß keine Feldemission auftritt Um eine Feldemission herbeizuführen, wird die Spannung der Gleichspannungsquelle 15 erhöht Die Energie des unter diesen Umständen emittierten Elektronenstrahls wird der hohe Energiewert (beispielsweise ungefähr 10 kV oder mehr). Auf diese Weise kann die Energie des Elektronenstroms selbst bei Erhöhung der Hochspannung ohne Emission eines hohen Stroms groß gemacht werden.

Der Wert der hohen Energie läßt sich abhängig von der wechselseitigen Lage bzw. Form von Kathode 11 und Steuerelektrode 12 nach Belieben bestimmen. So ist es durch Vertikalbewegung einer Einrichtung, welche die Kathode 11 hält, beispielsweise eines Balgs 20, möglieh, die wechselseitige Lage von Kathode 11 und

Steuerelektrode 12 zur Änderung des Werts der hohen Energie zu verändern. Fig.3 zeigt das Verhältnis zwischen hoher Energie und niedriger Energie, wenn der Innendurchmesser (OJder zylindrischen Steuerelektrode 12 und die Lage (L)der Kathode 11 bezüglich der

ίο Steuerelektrode 12 verändert werden. In der Figur ist auf der Abszisse das Verhältnis UD aufgetragen, während auf der Ordinate das Verhältnis VhI Vl aufgetragen ist Hierbei bezeichnet Vl die Spannung für den Fall eines Emissionsstroms von beispielsweise

'S ungefähr 10 uA, wenn die Steuerelektrode auf Erdpotential gelegt ist. Vh bezeichnet eine Spannung für den Fall eines Emissionsstroms von beispielsweise ungefähr 10 μΑ, wenn sich die Steuerelektrode auf dem gleichen Potential wie die Kathode befindet Wie aus dem Diagramm ersichtlich, ist es durch eine von außen herbeigeführte Änderung der Lage der 7-.euere!ektrode 12 möglich, einen Elektronenstrahl jede; gewünschten Energie (bei diesem Ausführungsbeispiel von mehr als ungefähr 5 kV) zu erzielen.

In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Länge L durch Bewegen der Kathode relativ zu der Steuerelektrode verändert Statt dessen kann auch die Kathode 11 stationär und die Steuerelektrode 12 bewegbar sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Feldemissions-Elektronenkanone mit einer Kathode, einer im Bereich der Kathode angeordneten, unter anderem auf Kathodenpotential liegenden Steuerelektrode, einer Anode zur Beschleunigung der von der Kathode emittierten Elektronen, einer Gleichspannungsquelle zum Anlegen einer Gleichspannung zwischen Kathode und Anode und einer Einrichtung zur Veränderung der relativen Lage von Kathode und Steuerelektrode, gekennzeichnet durch einen Schalter (14) zum Umschalten des Potentials der Steuerelektrode (12) zwischen Anoden- und Kathodenpotential.

2. Feldemissions-Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Veränderung der relativen Lage von Kathode (11) und Steuerelektrode (12) zur Bewegung der Kathode bezüglich der Steuerelektrode eingerichtet ist

3. Feldemissions-Elektronenkanone nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Veränderung der relativen Lage von Kathode (11) und Steuerelektrode (12) zur Bewegung der Steuerelektrode bezüglich der Kathode eingerichtet ist.

4. Feldemissions-Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (12) zylindrische Form hat und die Kathode (11) im Mittelteil der zylindrischen Steuerelektrode angeordnet ist.