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Technisches Fachgebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Fachgebiet von Elektronenquellen
für die
Verwendung in Elektronenstrahlanwendungen und insbesondere Schottky-Emissionskathoden.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektronenemissionskathoden,
auf die typischerweise als Elektronenquellen Bezug genommen wird,
werden in Vorrichtungen, wie etwa Rasterelektronenmikroskopen, Transmissionselektronenmikroskopen,
Halbleiterprüfsystemen
und Elektronenstrahl-Lithografiesystemen, verwendet. In derartigen Vorrichtungen
liefert eine Elektronenquelle Elektronen, die zu einem intensiven,
fein fokussierten Strahl von Elektronen mit Energien in einem engen
Bereich gelenkt werden. Um die Bildung eines derartigen Strahls
zu erleichtern, sollte die Elektronenquelle eine große Anzahl
von Elektronen in einem schmalen Energieband emittieren. Die Elektronen
sollten von einem kleinen Oberflächenbereich
auf der Quelle in einen schmalen Emissionskegel emittiert werden. Elektronenquellen
können
durch eine Intensität
gekennzeichnet werden, die als der Elektronenstrom dividiert durch
das reale oder virtuelle Produkt der Emissionsfläche und dem Raumwinkel, über den
die Elektronen emittiert werden, definiert ist. Eine praktische
Quelle sollte intensiv sein und sollte für eine verlängerte Zeitdauer mit wenig
oder ohne Wartung und mit minimalem Rauschen, das heißt, wenigen Schwankungen
der Menge und Energie der emittierten Elektronen, arbeiten.
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Elektronen
werden normalerweise von einer Energiebarriere daran gehindert,
die Atome an der Oberfläche
eines Objekts zu verlassen. Die Energiemenge, die erforderlich ist, um
die Energiebarriere zu überwinden,
ist als die "Austrittsarbeit" der Oberfläche bekannt.
Eine Art von Elektronenquelle, eine glühelektrische Emissionsquelle,
reagiert hauptsächlich
auf Wärme,
um die Energie zum Überwinden
der Energiebarriere und Emittieren von Elektronen zu liefern. Glühelektrische
Emissionsquellen sind für
die Verwendung in vielen Anwendungen nicht ausreichend intensiv.
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Eine
andere Art von Elektronenquelle, eine Kaltfeld-Emissionsquelle, arbeitet bei Raumtemperatur
und ist auf ein starkes elektrisches Feld angewiesen, um die Emission
von Elektronen durch Tunneln durch die Energiebarriere zu erleichtern.
Eine Feldelektronenquelle enthält
typischerweise eine schmale Spitze, an der die Elektronen die Oberfläche verlassen
und in das umgebende Vakuum ausgestoßen werden. Während Kaltfeld-Emissionsquellen
viel kleiner und intensiver als glühelektrische Emissionsquellen
sind, zeigen Kaltfeld-Emissionsquellen
Instabilitäten,
die in vielen Anwendungen Probleme aufwerfen.
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Noch
eine andere Art von Elektronenquelle wird als Schottky-Emissionskathode
oder Schottky-Emitter bezeichnet. Obwohl der Begriff "Schottky-Emission" sich auf eine bestimmte
Betriebsart eines Emitters bezieht, wird der Begriff "Schottky-Emissionskathode" allgemeiner verwendet,
um eine Art von Elektronenemissionsquelle zu beschreiben, die in
der Lage sein kann, in einer Vielfalt an Betriebsarten, einschließlich dem
Schottky-Emissionsbetrieb, zu arbeiten. Schottky-Emissionskathoden verwenden
eine Beschichtung auf einer erhitzten Emitterspitze, um ihre Austrittsarbeit
zu verringern. Die Beschichtung weist typischerweise eine sehr dünne Schicht,
wie etwa einen Bruchteil einer Monoschicht aus einem wirksamen Metall,
auf. Im Schottky-Emissionsbetrieb verwendet eine Schottky-Emissionskathode
eine Kombination aus Wärme
und einem elektrischen Feld, um Elektronen zu emittieren, die aus
einer virtuellen Punktquelle in der Spitze zu strahlen scheinen.
Bei Änderungen
der Emittertemperatur und des elektrischen Felds emittiert die Schottky-Emissionskathode
in anderen Emissionsbetriebsarten oder Kom binationen aus Emissionsbetriebsarten,
einschließlich
der erweiterten Schottky-Emissionsbetriebsart und der thermischen Feld-Betriebsart.
Schottky-Emissionskathoden sind sehr intensiv und stabiler und einfacher
zu handhaben als Kaltfeld-Emissionsquellen.
Aufgrund ihrer Leistungs- und Zuverlässigkeitsvorteile sind Schottky-Emissionskathoden
eine verbreitete Elektronenquelle für moderne fokussierte Elektronenstrahlsysteme
geworden.
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1 zeigt einen Teil einer
typischen Schottky-Emissionskathode
12 nach
bisherigem Stand der Technik, wie etwa die in
US-A-3 814 975 ("Electron Emission
System", Wolfe et
al.) beschriebene. Die Schottky-Emissionskathode
12 enthält einen
Heizdraht
14, der einen Emitter
16 mit einer Spitze
22, von
der die Elektronen emittiert werden trägt und erwärmt. Die Anmelder verwenden
hier den Begriff "Emitter" allein, um auf den
Teil der Elektronenquelle Bezug zu nehmen, von dem die Elektronen
emittiert werden (z.B. Emitter
16 von
1), und der Begriff "Schottky-Emissionskathode" bezieht sich auf
die ganze Elektronenquellenanordnung (z.B. Schottky-Emissionskathode
12),
die, wie weiter unten beschrieben, häufig eine Drosselkappe aufweist. Über Elektroden
24,
die in einen Sockel
26 eindringen, wird Heizstrom an den
Heizdraht
14 geliefert. Ein Heizstrom wird dem Heizdraht
14 durch
Elektroden
24, die in einen Sockel
26 eindringen,
zugeführt.
Die Schottky-Emissionskathode
12 arbeitet typischerweise
mit einer Temperatur an der Spitze
22 von etwa 1800 K.
Der Emitter
16 ist typischerweise aus einem Einkristall
aus Wolfram hergestellt, der in der <100>-, <110>-, <111>-
oder <310>-Richtung ausgerichtet ist. Der Emitter
16 könnte auch
aus anderen Materialien, wie etwa Molybdän, Iridium oder Rhenium, hergestellt
sein. Der Emitter
16 ist mit einem Beschichtungsmaterial
beschichtet, um seine Austrittsarbeit zu erniedrigen. Derartige
Beschichtungsmaterialien könnten
zum Beispiel Verbindungen, wie etwa Oxide, Nitride und Kohlenstoffverbindungen
von Zirkonium, Titan, Hafnium, Yttrium, Niob, Vanadium, Thorium, Skandium,
Beryllium oder Lanthan umfassen. Zum Beispiel senkt eine Beschichtung
einer (100)-Oberfläche
aus Wolfram mit Zirkonium und Sauerstoff die Austrittsarbeit der
Oberfläche
von 4,5 eV auf 2,8 eV. Durch Verringerung der Energie, die zum Emittieren von
Elektronen nötig
ist, ergibt die Beschichtung auf dem Emitter eine intensivere Elektronenquelle.
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Bei
den hohen Temperaturen, bei denen die Schottky-Emssionskathode 12 arbeitet,
neigt das Beschichtungsmaterial dazu, von dem Emitter 16 zu verdampfen,
und muß laufend
wieder ergänzt
werden, um die niedrige Austrittsarbeit an der Spitze 22 aufrecht
zu erhalten. Ein Speicher 28 für Beschichtungsmaterial ist
typischerweise vorgesehen, um die Beschichtung auf dem Emitter 16 zu
ergänzen.
Das Material aus dem Speicher 28 diffundiert entlang der Oberfläche und
durch das Volumen des Emitters 16 in Richtung der Spitze 22 und
ergänzt
dadurch kontinuierlich die dortige Beschichtung. Die Schottky-Emissionskathode 12 enthält einen
Speicher 28 mit Beschichtungsmaterial, der am Übergang
vom Emitter 16 zum Heizdraht 14 positioniert ist.
Verfahren zum Beschichten von Emittern und zur Herstellung von Speichern
für Beschichtungsmaterialien sind
bekannt. Zum Beispiel kann der Speicher 28 durch Hinzufügen eines
Pulvers aus einem Vorproduktmaterial, wie etwa Zirkoniumhydrid zu
einem Lösungsmittel,
wie etwa Wasser oder Isoamylazetat, gebildet werden, um einen Brei
herzustellen und den Brei dann an den Emitter 16 zu kleben.
Wenn der Emitter erhitzt wird, zersetzt sich das Zirkoniumhydrid in
Zirkonium und Wasserstoff, der sich daraus entwickelt. Der Emitter 16 wird
dann in einer Atmosphäre aus
Sauerstoff erhitzt, um eine Zirkoniumoxidbeschichtung und einen
Speicher zu bilden. Es ist klar, daß der Begriff Zirkoniumoxid
verwendet wird, um jede Kombination aus Zirkonium- und Sauerstoffatomen
anzuzeigen und nicht auf ein bestimmtes Atomverhältnis begrenzt ist.
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Bei
den hohen Betriebstemperaturen der Schottky-Emissionskathode 12 verdampft
nicht nur das Beschichtungsmaterial auf dem Emitter 16 und der
Spitze 22, sondern das Beschichtungsmaterial verdampft
auch direkt von dem Speicher und entleert ihn. Die Verdampfungsrate
des Beschichtungsma terials in dem Speicher nimmt exponentiell mit
der Temperatur zu. Auf diese Weise hängt die Nutzungslebensdauer
des Speichers von der Materialmenge in dem Speicher und dessen Temperatur
ab. Bei einer konstanten Temperatur erhöht eine Erhöhung des Masse des Speichers
dessen Lebensdauer. Große Erhöhungen der
Speichermasse sind jedoch nicht praktisch, weil das Beschichtungsmaterial
in einem großen
Speicher dazu neigt, sich von dem Emitter zu trennen, dadurch die
Speichermasse verringert und Probleme in dem Vakuumsystem verursacht.
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Wenn
der Speicher 28 entleert ist, arbeitet die Schottky-Emissionskathode 12 nicht
mehr richtig, und es ist notwendig, das Elektronenstrahlsystem,
in dem die Schottky-Emissionskathode 12 installiert
ist, herunterzufahren, um den Emitter zu ersetzen. Da derartige
Elektronenstrahlsysteme häufig
kritische Glieder in der Herstellung von komplexen integrierten Schaltungen
sind, kann das Herunterfahren eines Systems die Herstellung verzögern und
ist daher kostspielig. Es ist daher wünschenswert, die Lebensdauer
des Speichers so weit wie möglich
auszudehnen, wodurch die Lebensdauer des Emitters verlängert wird.
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2 zeigt einen Teil einer
anderen Schottky-Emissionskathode
34 nach bisherigem Stand
der Technik ähnlich
der in J.E. Wolfe, "Operational
Experience with Zirconiated T-F Emitters", J. Vac. Scie. Tech. 16(6) (1979) und
US-A-5 449 968 ("Thermal Field Emission Cathode", Terui) beschriebenen.
2 zeigt einen Emitter
36,
der an einem Übergang
44 mit
einem Heizdraht
38 verbunden ist und in einer Spitze
46 endet.
(Der Emitter
12 von
1 enthielt auch
einen Übergang,
dieser war aber durch den Speicher
28 versteckt.) Da von
dem Heizdraht
38 Wärme
an den Emitter
36 zugeführt
wird, ist der Emitter
36 an dem Übergang
44 am heißesten und
ist mit zunehmendem Abstand von dem Übergang
44 kälter. Die
Schottky-Emissionskathode
34 enthält einen Speicher
50,
der weg von dem Übergang
44 in
Richtung der Spitze
46 positioniert ist. Das Positionieren des
Speichers
50 weg von dem Übergang
44 ermöglicht,
daß der
Speicher
50 während des
Betriebs kälter
bleibt, wodurch die Verdampfung des Beschichtungsmaterials verringert
und die Nutzlebensdauer des Emitters erhöht wird. Das Positionieren
des Speichers
50 zu nahe an der Spitze
46 beeinflußt jedoch das
elektrische Feld, das verwendet wird, um Elektronen aus der Spitze
46 zu
ziehen, nachteilig. Gemäß
US-A-5 449 968 ist
die optimale Position für
den Speicher etwa 200 μm
weg von dem Übergang
44 in Richtung
der Spitze
46.
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In
einer derartigen Position ist der Speicher 50, wenngleich
kälter
als der Übergang 44,
immer noch heißer
als die Spitze 46. Die Verdampfung begrenzt immer noch
die Lebensdauer des Speichers 50, und dessen Lebensdauer
ist immer noch der limitierende Faktor für die Nutzlebensdauer der Schottky-Emissionskathode 34.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Elektronenemitter mit
einer verlängerten
Nutzlebensdauer zur Verfügung
zu stellen.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen länger haltenden Speicher für einen
Elektronenemitter zur Verfügung
zu stellen.
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Noch
eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
eines Elektronemitters mit einer verlängerten Lebensdauer zur Verfügung zu
stellen.
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Noch
eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit
von Elektronenstrahlsystemen, wie etwa Elektronenmikroskopen, zu
erhöhen.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Elektronenstrahlsystem
zur Verfügung
zu stellen, das aufgrund einer verbesserten Lebensdauer der Elektronenquelle
weniger Wartung erfordert.
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Die
Erfindung weist einen Elektronenemitter, bevorzugt eine Schottky-Emissionskathode,
mit einer verlängerten
Nutzlebensdauer und ein Elektronenstrahlsystem, das den Elektronemitter
verwendet, auf. Gemäß der Erfindung
umfaßt
ein Elektronenemitter einen Emitter und einen an einem Übergang an dem
Emitter befestigten Heizdraht. Der Emitter erstreckt sich von dem Übergang
vorwärts
und endet in einer Spitze, von der Elektronen emittiert werden. Der
Emitter erstreckt sich auch von dem Übergang nach hinten, und ein
Speicher für
Material zum Beschichten des Emitters ist auf dem Teil des Emitters positioniert,
der sich von dem Übergang
nach hinten erstreckt.
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Die
Anmelder haben entdeckt, daß an
der Emitterspitze eine passende Beschichtung aufrecht erhalten wird,
wenn der Speicher von der Spitze aus auf der entgegengesetzten Seite
des Übergangs
positioniert ist, obwohl das Beschichtungsmaterial durch eine größere Entfernung
diffundieren muß,
um die Spitze zu erreichen, und der Diffusionsweg quer zum Übergang
geht, der der heißeste
Teil des Emitters ist. Durch Positionieren des Speichers auf dem sich
nach hinten erstreckenden Teil des Emitters ist der Abstand zwischen
dem Speicher und dem Übergang
nicht auf den Abstand zwischen dem Übergang und der Spitze beschränkt, und
der Speicher kann weit von dem Übergang
weg positioniert werden, ohne das elektrische Feld an der Spitze
nachteilig zu beeinflussen. Durch Positionieren des Speichers weiter
weg von dem Übergang
wird der Speicher auf einer niedrigeren Temperatur gehalten als
bei Emittern nach bisherigem Stand der Technik, bei denen der Speicher
auf einer Temperatur ist, die typischerweise geringer als die des Übergangs
und höher
als die der Spitze ist. Das Beschichtungsmaterial in dem Speicher
der vorliegenden Erfindung verdampft langsamer, was die Nutzlebensdauer
des Emitters erheblich verbessert. In einigen Ausführungsformen
ist der Speicher in einem größeren Abstand
oder gleich weit positioniert wie der Abstand von dem Übergang
zu der Spitze, und der Speicher kann auf einer niedrigeren Temperatur
als die der Spitze gehalten werden.
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Das
Vorhergehende hat ziemlich allgemein die Merkmale und technischen
Vorteile der vorliegenden Erfindung skizziert, damit die folgende
detaillierte Beschreibung der Erfindung besser verstanden werden
kann. Zusätzliche
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden hier im weiteren beschrie ben
und bilden den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung. Es sollte
Fachleuten klar sein, daß die
offenbarte Konzeption und spezielle Ausführungsform ohne weiteres als
eine Grundlage zur Veränderung oder
Konstruktion anderer Strukturen genutzt werden kann, um die gleichen
Zwecke der vorliegenden Erfindung auszuführen. Es sollte von Fachleuten
ebenfalls erkannt werden, daß äquivalente
Aufbauten nicht vom Geist und Schutzbereich der Erfindung abweichen,
wie sie in den beigefügten
Ansprüchen
dargelegt sind.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Für ein vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird nun Bezug auf
die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
genommen, wobei:
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1 einen Teil einer Schottky-Emissionskathode
nach bisherigem Stand der Technik zeigt;
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2 einen Teil einer anderen
Schottky-Emissionskathode nach bisherigem Stand der Technik zeigt;
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3 eine andere Ausführungsform
einer Schottky-Emissionskathode
gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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4 eine Schottky-Emissionskathode
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 eine vergrößerte Ansicht
eines Teils der Emissionskathode von 4 ist;
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6 ein Diagramm ist, das
die Beziehung zwischen dem Partialdruck von Zirkonium und der Temperatur
und die Beziehung zwischen der Speicherlebensdauer und der Temperatur
zeigt;
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7 ein Diagramm ist, das
zeigt, wie die sich Temperatur einer typischen Schottky-Emissionskathode
mit dem Abstand von dem Übergang ändert;
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8 eine schematische Darstellung
eines Elektronenstrahlsystems ist, das eine Schottky-Emissionskathode
der vorliegenden Erfindung verwendet.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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3 zeigt eine Ausführungsform
einer Schottky-Emissionskathode 100 der
vorliegenden Erfindung mit langer Lebensdauer. Die Schottky-Emissionskathode 100 enthält einen
Emitter 102, der zum Beispiel durch Hartlöten an einem
Sockel 104 befestigt ist. Der Emitter 102 enthält eine
Spitze 118, von der während
des Betriebs Elektronen emittiert werden. Eine isolierende Hülle 112,
bevorzugt Aluminiumoxid, erstreckt sich von dem Sockel 104 in die
gleiche Richtung wie der Emitter 102. Ein oder mehrere
Heizdrähte 114 sind
bevorzugt durch Hartlöten
an einem Übergang 116 an
dem Emitter 102 befestigt. Ein elektrischer Strom fließt hindurch
und heizt den Heizdraht 114, der seinerseits den Emitter 102 heizt,
um die Spitze 118 auf der bevorzugten Temperatur von 1800
K zu halten. Der Emitter 102 enthält einen sich nach vorne erstreckenden
Teil 126, der sich von dem Übergang 116 zu der
Spitze 118 erstreckt, und einen sich nach hinten erstreckenden Teil 128,
der sich von 116 in Richtung des Sockels 104 erstreckt.
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Ein
Speicher 130 eines Beschichtungsmaterials, wie etwa Zirkonium
oder Hafnium, ist entlang des sich nach hinten erstreckenden Teils 128 positioniert,
um das Beschichtungsmaterial von dem Emitter 102, während es
verdampft, kontinuierlich zu ergänzen.
Der Sockel 104 ist aus einem Material, wie etwa Zirkonium,
Hafnium, Titan, Tantal oder Rhenium, gefertigt, das in der Lage
ist, hohen Temperaturen standzuhalten. Der Sockel 104 weist
bevorzugt das gleiche Material auf wie der Speicher 130 auf, wodurch
ein Konzentrationsgradient geliefert wird, der die Diffusion von
dem Speicher 130 eher in Richtung der Spitze 118 als
in Richtung des Sockels 104 begünstigt. Der Sockel 104 wirkt
auch als eine Wärmesenke,
die den Speicher 130 auf einer erheblich niedrigeren Temperatur
hält als
die der Spitze 118. Ein zylindrisches Wärmeschild 132, das
bevorzugt aus dem gleichen Material gefertigt ist wie der Speicher 130 aufweist,
isoliert den Emitter 102, um den Energieverbrauch zu minimieren,
und enthält Öffnungen 124 für den Durchtritt
der Heizdrähte 114.
Eine Isolierhülle 112 enthält eine
Lippe 134, die von einem bevorzugt aus Titan gefertigten
Trägerzylinder 138 getragen
wird, welcher wieder um von einem Trägersockel 140, bevorzugt
aus Aluminiumoxid, getragen wird. Eine (nicht gezeigte) Drosselkappe
kann auf den Trägersockel 140 angeordnet
und auf einer geeigneten Spannung gehalten werden, um die Emission
von unerwünschten
Elektronen von der Schottky-Emissionskathode 100 zu verhindern.
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Durch
Verändern
der Länge 144 des
Emitters 102, der Tiefe der Isolierhülle 112 und der Position
des Speichers 130 entlang des Emitters 102 kann die
Temperatur des Speichers 130 gesteuert werden, während die
Spitze 118 auf einer gewünschten Temperatur gehalten
wird. Fachleute werden ohne übermäßiges Experimentieren
in der Lage sein, die Abmessungen entsprechend den Anforderungen
einer spezifischen Anwendung anzupassen. Die Anmelder glauben, daß mit einer
Emitterlänge 144 von
etwa 0,5 cm, wobei etwa 0,025 cm des Emitters 102 in den
Sockel 104 eingebettet sind und der Heizdraht 114 etwa auf
halber Strecke zwischen dem Sockel 104 und der Spitze 118 befestigt
ist, vorteilhafte Ergebnisse erzielt würden. In einer bevorzugten
Ausführungsform weist
der Emitter 102 einen Einkristall aus Wolfram auf, der
in der <100>-Richtung ausgerichtet
ist, der Speicher 130 weist Zirkonium und Sauerstoff auf, und
der Sockel 104 weist Zirkonium auf.
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4 zeigt eine andere Schottky-Emissionskathode 202,
welche die vorliegende Erfindung verkörpert. In der Schottky-Emissionskathode 202 ist
ein Heizdraht 204 an einem Elektrodenpaar 206 befestigt,
das sich durch einen isolierenden Sockel 208 erstreckt.
Ein Emitter 218 weist bevorzugt einen Einkristall aus Wolfram
aus, der in der <100>-Richtung ausgerichtet
ist und typischerweise mittels Punktschweißen an einem Übergang 220 an
dem Heizdraht 204 befestigt ist. Während des Betriebs fließt ein elektrischer
Strom durch die Elektroden 206 zu dem Heizdraht 204.
Der Strom heizt den Heizdraht 204, der die Wärme durch
den Übergang 220 an
den Emitter 218 überträgt, wodurch
eine Spitze 222 des Emitters 218 etwa auf 1800
K gehalten wird. Eine Drosselkappe 224 erstreckt sich von
dem isolierenden Sockel 208 und umgibt den größten Teil
der Anordnung einschließlich
der Elektroden 206, des Heizdrahts 204 und des
Emitters 218. Die Drosselkappe 224 wird typischerweise
mit einer negativen Spannung aufgeladen, um eine unerwünschte Elektronenemission
zu unterdrücken.
Eine Öffnung 230 in
der Drosselkappe 224 ermöglicht Elektronen, die Elektronenquelle 202 in
die (nicht gezeigte) Elektronenoptik des Instruments, in der die
Schottky-Emissionskathode 202 angeordnet ist, zu verlassen.
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5 zeigt die Schottky-Emissionskathode 202 von 4 vergrößert und mit entfernter Drosselkappe 224.
Um die Erfindung deutlicher zu zeigen, sind die Teile der Schottky-Emissionskathode 202 nicht
maßstäblich gezeigt. 5 zeigt, daß der Emitter 218 einen
sich nach vorne erstreckenden Teil 232, der sich von dem Übergang 220 in
eine Richtung weg von dem isolierenden Sockel 208 erstreckt,
um in der Spitze 222 zu enden, und einen sich nach hinten
erstreckenden Teil 234 enthält, der sich von dem Übergang 220 in
eine Richtung nach hinten zu dem isolierenden Sockel 208 erstreckt.
Ein Speicher 236 von Beschichtungsmaterial, das die Austrittsarbeit
des Emitters 218 herabsetzt, ist auf dem sich nach hinten erstreckenden
Teil 234 und bevorzugt etwa 35 Mil (0,9 mm) von dem Übergang 220 weg
zentriert positioniert. Der Speicher 236 kann irgendwo
auf dem sich nach hinten erstreckenden Teil 234 positioniert werden,
aber wird bevorzugt zentriert zwischen 10 Mil (0,25 mm) und 100
Mil (2,5 mm) von dem Übergang 220 positioniert.
Der Speicher 236 weist bevorzugt Zirkonium und Sauerstoff
auf. Material aus dem Speicher diffundiert durch Oberflächen- oder
Volumendiffusion, um die Spitze 222 zu beschichten, wodurch
die Austrittsarbeit des Emitters 218 verringert wird. Der
Speicher kann auf eine bekannte Weise, wie etwa die weiter oben
beschriebene, gebildet werden.
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Die
Nutzlebensdauer der Schottky-Emissionskathode 202 wird
oft durch die Lebensdauer des Speichers 236 bestimmt, und
die Lebensdauer des Speichers 236 ist durch die Verdampfungsrate
des Speichermaterials bestimmt. Die Verdampfungsrate des Speichermaterials
wird stark von der Temperatur des Speichers beeinflußt. Es wurde
herausgefunden, daß die
Verdampfungsrate exponentiell abnimmt, wenn die Tem peratur verringert
wird, und daß die
Lebensdauer eines Zirkoniumoxid-Speichers sich für jeden Abfall der Temperatur
von 25 K etwa verdoppelt. 6 ist
ein Diagramm 244, das die Änderung des Partialdrucks von
Zirkonium mit der Temperatur und die Beziehung zwischen der Lebensdauer
der Schottky-Emissionskathode
und der Temperatur zeigt. Eine durch runde Punkte 248 definierte
Linie 246 zeigt den Partialdruck von reinem Zirkonium bei verschiedenen
Temperaturen. Die Daten für
die Linie 246 sind von Smithells Metalls Reference Book,
6. Ausgabe, herausgegeben von Butterworth and Co., 1983, abgeleitet.
Die Linie 246 zeigt den Partialdruck für reines Zirkonium, weil Daten,
die den Partialdruck von Zirkoniumoxid zeigen, nicht ohne weiteres
verfügbar
waren. Die Temperaturabhängigkeit
des Dampfdrucks von Zirkonium kann auch als Log P = –31820/T – 0,50 log
T dargestellt werden, wobei der Druck in Quecksilber-Inch und die
Temperatur in Kelvin ist. Eine durch quadratische Punkte 252 definierte zweite
Linie 250 zeigt die vorhergesagte Lebensdauer der Schottky-Emissionskathode
als eine Funktion der Temperatur im Vergleich zu der Lebensdauer
einer Schottky-Emissionskathode, die mit einem Speicher bei 1800
K arbeitet und der ein Wert von 1 zugeordnet ist.
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7 zeigt die Temperatur,
wie sie von einem Pyrometer an verschiedenen Positionen entlang der
Länge von
vier verschiedenen Schottky-Emissionskathoden gemessen wurde. Die
Horizontalachse zeigt den Abstand von dem Übergang 220 (5), der eine Abszisse von
null hat. Abstände
in die Richtung von dem Übergang 220 zu
der Spitze 222, die eine Abszisse von –25 Mil (0,64 mm) hat, sind
als negative Zahlen gezeigt. Abstände in die Richtung von dem Übergang 220 weg
von der Spitze 222 sind als positive Zahlen gezeigt. Die
Linien 258 zeigen zwei Meßreihen für ähnliche Emitter wie in 4 und 5 gezeigt, aber ohne Speicher 236,
die durch rautenförmige
Punkte 262 angezeigt sind. Die Linien 264 und 266 zeigen
die Temperaturprofile für
zwei ähnliche Emitter
wie die von 4 und 5, die Speicher 236 haben,
welche auf dem sich nach hinten erstreckenden Teil 234 etwa
35 Mil (0,89 mm) von dem Übergang 220 positioniert
sind. Pyrometermessungen direkt auf dem Speicher sind aufgrund der
Emissionsgraddifferenz des Speichermaterials im Vergleich zu dem Material,
aus dem der Emitter 218 besteht, nicht genau. Somit wird
die Temperatur am Speicher 236 als das Mittel der zwei
Anzeigewerte in gleichen Entfernungen auf entgegengesetzten Seiten
des Speichers angenommen, anstatt der von dem Pyrometer angezeigten
Temperatur.
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Wie
aus 7 zu sehen, ist
der Emitter 218 an dem Übergang 220 am
heißesten,
und die Temperatur entlang dem Emitter 218 nimmt mit zunehmendem
Abstand von dem Übergang 220 ab.
Durch Verlängern
des Emitters 218 nach hinten und Montieren des Speichers
auf dem sich nach hinten erstreckenden Teil 234 wird die
Temperatur des Speichers 236 erheblich verringert. Im Gegensatz
zu Schottky-Emissionskathoden nach bisherigem Stand der Technik
kann der Abstand des Speichers von dem Übergang in der vorliegenden
Erfindung vergrößert werden,
ohne daß das
elektrische Feld an der Spitze 222 nachteilig beeinflußt wird.
Im Gegensatz zu Emittern nach bisherigem Stand der Technik kann
die Temperatur des Speichers sogar unter die der Spitze 222 verringert
werden. Die Linien 264 und 266 zeigen, daß die Temperatur
des Speichers 236 im Mittel etwa 1710 K beträgt. Die
Anmelder haben die Temperatur von Speichern in Schottky-Emissionskathoden
nach bisherigem Stand der Technik gemessen und herausgefunden, daß die Temperatur
für eine
typische Temperatur der Spitze von 1800 K an den Speichern etwa
1850 K war. Auf diese Weise wurde die Speichertemperatur in der
vorliegenden Erfindung um etwa 140 K verringert, was bedeutet, daß die Lebensdauer
des Emitters um einen Faktor von 10 oder mehr erhöht sein
sollte.
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Die
Anmelder haben herausgefunden, daß die Strom-Spannungs-Kennlinie der Elektronenquelle 202 von 4 und 5 ähnlich
denen von Schottky-Emissionskathoden 12 nach bisherigem
Stand der Technik sind, die einen Speicher 28 zwischen dem Übergang 44 und
der Spitze 222 positioniert haben, was anzeigt, daß das Beschichtungsmaterial
in dem Emitter der vorliegenden Erfindung 222 die Austrittsarbeit
verringert.
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Ein
anderer Vorteil der Erfindung gegenüber Schottky-Emissionskathoden
nach bisherigem Stand der Technik ist die Temperaturstabilität. Der Speicher schrumpft,
während
Masse verdampft oder weg diffundiert. In Speichern nach bisherigem
Stand der Technik bewirkt die Massenverringerung zwischen der Wärmequelle
und der Spitze, daß die
Temperatur an der Spitze mit der Zeit zunimmt. Da der Speicher der
aktuellen Erfindung nicht zwischen dem Heizdraht und der Spitze
angeordnet ist, sollten Änderungen
der Speichermasse wenig oder keine Auswirkung auf die Temperatur
an der Spitze haben. Außerdem
wurden Änderungen
der Emittertemperatur beobachtet, wobei die Heizdrahttemperatur
konstant blieb. Es wird davon ausgegangen, daß diese Schwankungen dem Speicher
zugeschrieben werden können
und daß ein
Bewegen des Speichers auf die Seite des Emitters weg von dem Heizdraht
derartige Temperaturschwankungen verringern oder beseitigen kann.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch
die Verwendung eines kürzeren
Emitters, wobei die Spitze näher
an dem Heizdraht positioniert ist als nach bisherigem Stand der
Technik. Der kürzere Emitter
verbraucht weniger Eingangsleistung und auch kann andere Vorteile,
wie etwa verbesserte Stabilität,
bieten.
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Eine
Schottky-Emissionskathode kann auch in einem Emissionsbetriebszustand
betrieben werden, der eine so hohe Temperatur erfordert, daß das Beschichtungsmaterial
verdampft und die Spitze nicht bedeckt. In Schottky-Emissionskathoden
nach bisherigem Stand der Technik würde der Betrieb bei derartigen
Temperaturen nicht nur das Beschichtungsmaterial von dem Emitter
verdampfen, sondern er würde
auch den Speicher entleeren. Mit der vorliegenden Erfindung ist
es möglich,
mit der Spitze auf derartigen Temperaturen zu arbeiten, ohne den
Speicher zu entleeren. Wenn die Temperatur des Emitters daraufhin
verringert wird, diffundiert wieder Beschichtungsmaterial aus dem
Speicher und beschichtet die Spitze, was es dem Emitter ermöglicht,
wieder in einer thermischen Feld-Betriebsart
zu arbeiten.
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Die
Erfindung ist weder auf irgendwelche bestimmten verwendeten Materialien
zur Herstellung des Emitters, der Be schichtung oder des Heizdrahts noch
auf eine spezielle Konstruktion des Elektronenemitters beschränkt. Zum
Beispiel kann jedes der in dem Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" beschriebenen Emitter-
oder Beschichtungsmaterialien verwendet werden. Obwohl die bevorzugte
Ausführungsform
eine Schottky-Emissionskathode ist, kann die Erfindung in jeder
Elektronenquelle verwendet werden, die einen ähnlichen Aufbau hat und die
eine Beschichtung zur Verringerung der Austrittsarbeit verwendet,
welche von einem Speicher ergänzt
wird.
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8 zeigt eine Elektronenstrahlvorrichtung,
die aufgrund verbesserter Lebensdauer der Elektronenquelle eine
verringerte Wartung erfordert. Die beispielhafte Elektronenstrahlvorrichtung
ist ein Elektronenmikroskop 300. Die Vorrichtung umfaßt eine
Elektronenquelle 302, die aufweist: eine Schottky-Emissionskathode
der vorliegenden Erfindung wie weiter oben beschrieben, ein Strahlausrichtungssystem 304 und
eine Strahlblende 306, eine Kondensorlinse 308,
Objektivlinsen 310, ein Strahlabtastsystem 316,
einen Objektraum 318 mit einem Probenhalter 320,
eine Beugungslinse 324, eine Zwischenlinse 326,
eine Projektionslinse 330 und einen Elektronendetektor 334.
Die Objektivlinsen 310, die Zwischenlinse 326 und
die Projektionslinse 330 bilden zusammen ein Abbildungslinsensystem.
Diese Elemente sind in einem Gehäuse 346 untergebracht,
das mit einem elektrischen Versorgungsdraht 348 für die Elektronebnquelle 302,
einem Sichtfenster 352 und einer Vakuumpumpvorrichtung 354 versehen
ist. Die Anregungsspulen für
die Objektivlinse 310 sind mit einer Steuerungseinheit 356 verbunden,
die angeordnet ist, um die Anregung des Abbildungslinsensystems zu
steuern. Das Elektronenmikroskop umfaßt auch eine Aufzeichnungseinheit
mit dem Elektronendetektor 334, eine Bildverarbeitungseinheit 360 und
eine Videoanzeige 368 zum Beobachten der gebildeten Bilder.