DE2161027C3 - Elektronenstrahlerzeuger mit einer durch einen Energiestrahl zu erhitzenden Kathode - Google Patents

Description

mikroskops nach Fig. 1.

Im Abtast-Elektronenmikroskop nach Fig. 1 befinden sich eine Elektronenstrahlerzeuger 1 mit einer Kathode 2, eine erste Anode 5 und eine zweite Anode 4. In Richtung eines durch die Kathode 2 emittierten Elektronenstrahls 5 befinden sich ferner wie in den bekannten Abtast-Elektronenmikroskopen eine den Elektronenstrahl 5 richtende Anordnung 6, eine Kodensorlinse 7, eine Kondensorblende 8, eine Abbildungslinse 9, ein Ablenksystem 10, mit den Ablenkspulen 11 and Ablenkspulen 12 zur Abtastung in Bildrichtung und Abtastung in Linienrichtung des Elektronenstrahls über einen Gegenstand 13. Zwischen den Ablenkspulen und dem Gegenstand oder dem Präparat 13 befindet sich eine Blende 14. Ein Detektor 15 ist in bezug auf den Gegenstand derart montiert, daß er vom Gegenstand herrührende Signale, entweder in Form von Teilchen oder aber in Form von elektromagnetischer Strahlung, zumindest teilweise auffängt. Zur Wiedergabe von durch den Detektor aufgefangenen Signalen dient eine Elektronenstrahlröhre 16, deren Ablenkspulen 17 und 18 synchron zu den Ablenkspulen 12 und 13 wirken. Zwischen dem Detektor 15 und der Elektronenstrahlröhre 16 befindet sich ein Verstärker 19 zur Verstärkung des Detektorsignals, mit dem die Elektronenstrahlröhre gesteuert wird. Die Kathode 2 wird durch einen Metalldraht gebildet, den man sich in F i g. 1 senkrecht zur Zeichenebene denken muß. Dieser Metalldraht wird seitlich mit einem Elektronenstrahl 20 bestrahlt und dadurch auf eine Temperatur von so beispielsweise 3400°C für einen Wolfrumdraht i'^hit/t. Da der Metalldraht unter einer Spannkraft gespannt ist, bleibt der Draht auch bei dieser hohen Temperatur gerade. Eine Temperaturerhöhung von 2800 C auf 3400°C hat bei einem Wolframdraht eine Erhöhung der J5 Stromdichte des zu emittierenden Elektronenstrahls von ungefähr 2 bis 5 A pro cm- auf ungefähr 50 bis 200 A pro cm² zur Folge. Der Energiestrahl zum Erhitzen des Metalldrahts besteht in der bevorzugten Ausführung aus einem Elektronenstrahl 20, der durch eine haarnadelförmige Kathode 21 emittiert, durch ein Steuergitter 22 auf eine erwünschte Stromstärke beispielsweise 25 μΑ bei einer Einfallsenergie von 10 kV eingestellt und durch eine Linse 23 bis auf einen Durchmesser von beispielsweise 5 bis 25 μηι auf eine Seite des Metalldrahts 2 fokussiert wird. Der Energiestrahl kann auch durch einen Laserstrahl, einen Ionenstrahl oder einen anderen Energiestrahl korpuskularer oder elektromagnetischer Art gebildet werden. In der bevorzugten Ausführung schließen der Elektronenstrahl und der Energiestrahl einen Winkel von 90° ein. Für diesen Winkel kann jeder beliebige andere Winkel gewählt werden, wobei auch zusammenfallende, jedoch entgegengesetzt gerichtet verlaufende Strahlen nicht ausgeschlossen sind.

In F i g. 2 ist der Elektronenstrahlerzeuger 1 der bevorzugten Ausführung nach F i g. 1 in perspektivischer Sicht auf schematische Weise dargestellt. Der beispielsweise eine Dicke von 5 bis 50 μιη aufweisende Metalldraht 2 läuft unter einer in Längsrichtung wirkenden Zugkraft, die den Draht unter allen Umständen gerade hält, zwischen einer Spule 25 mit einem Leiter 26 und einer Spule 27 mit einem Leiter 28. Um den Metalldraht befinden sich zwei Slützblöeke 29 und 30, die jeweils mit einer V-Nm 31 bzw. 32 versehen sind, die für eine genaue Führung <Jcs Metalldraht 2 in Längsrichtung sorgen. Vorzugsweise haben die .Stützblöcke einen guten Wärmekontakt mit dem Metalldraht, wozu beispielsweise die V-Nuien den Draht eng umschließen, und bestehen die Stützblöcke aus einem Metail mit guten wärmeleitenden Eigenschaften wie beispielsweise Silber. Zwischen den Stülzbiöcken befindet sich um den Draht die Anode 3, die hier die Form eines Hohlzylinders mit einem Innendurchmesser von beispielsweise 0,5 bis 2 mm und einer Wanddicke 35 von beispielsweise 0,2 bis 0,5 mm aufweist. In diesem Zylinder befinden sich eine öffnung 33 für die Abfuhr des durch den Metalldraht emittienen Elektronenstrahls und eine Öffnung 34 zum Einschließen des Energiestrahls zum Erhitzen des Metalldrahts. Die Öffnung 34 ist vorzugsweise rund, während die Öffnung 33 den Abmessungen der Elektronenquelle in Längsrichtung angepaßt werden kann und beispielsweise 50 χ 500 μιη betragen kann. Im Betrieb führt die Anode 3 bei einem Nullpotent'al des Metalldraht 2 ein Potential von beispielsweise -f 100 bis + 500 V.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführung der Elektronenquelle dient nur zur Veranschaulichung. Es ist für die Erfindung nicht von Bedeutung, wie der Metalldraht im Betrieb — wenn überhaupt — verschoben wird. Die Verschiebung kann auch dadurch verwirklicht werden, daß ein unter einer Federkraft in einem Träger von beispielsweise 5 bis 10 cm Länge eingespannter Metalldraht mit dem Träger beispielsweise über eine von außen betätigbare Spindel entlang Führungen verschoben wird. Für den Metalldraht, dessen Querschnitt jede erwünschte Form aufweisen kann, können auch andere Metalle mit einer hohen Schmelztemperatur verwendet werden wie beispielsweise Titan. Bei der hohen Temperatur, auf die der Metalldraht gebracht wird, verdampft das Metall verhältnismäßig schnell. Materialien mit einer bei einer Temperatur knapp unter dem Schmelzpunkt verhältnismäßig niedrigen Verdampfungsgeschwindigkeit werden mithin bevorzugt. Durch die Stützblöcke wird die erhitzte Stelle des Drahts in Längsrichtung lokalisiert. In manchen Fällen ist es günstig, die Stützblöcke derart auszubilden, daß die Anodenröhre teilweise hineinragt, wodurch der Raum zwischen der Anodenröhre und den Siülzblöckcn abgeschlossen ist. Die Stützblöcke und die Anodenröhre können auch ein mechanisches Ganzes bilden. Das Verschieben des Metalldrahts dient dazu, der Elektronenquelle eine längere, im wesentlichen durch die Verdampfung des Metalldrahts bestimmte Lebensdauer zu geben. Indem die Geschwindigkeit der Verschiebung der auftreffenden Energie angepaßt wird, kann dafür gesorgt werden, daß stets ein Teil des Melalldrahts die erwünschte Temperatur aufweist und der Metalldraht nirgends zu stark verdampft. Die Abkühlung des Metalldrahts erfolgt durch Leitung, forciert durch die Metallblöcke, durch Strahlung, die im wesentlichen durch die Anodenröhre aufgefangen wird, und durch das Emittieren von Elektronen. Es hat sich gezeigt, daß bei diesen hohen Stromdichten die Wärmeabgabe durch Elektronenemission höher ist (beispielsweise um einen Faktor 10) als durch Stellung. Hierdurch kann in Längsrichtung des Drahts gesehen eine homogenere Temperatur auftreten. Die Stelle mit der höchsten Temperatur emittiert nämlich am meisten und kühlt dadurch auch am meisten ab, wodurch ein sich selbst stabilisierender Vorgang entsteht. Dies kommt der r;'abilität der Kathode zugute, beispielsweise auch deshalb, weil Unregelmäßigkeiten im Metalldraht, wie Verdünnungen oder Einschlüsse, die normalerweise eine besonders hohe Temperatur annehmen und dadurch besonders schnell verdampfen würden, nun auf niedrige-

re Temperaturen zurückgebracht werden.

In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung ist eine Kopplung vorgesehen, die die Verschiebungsgeschwindigkeit des Mctalldrahts automatisch als Funktion der Temperatur des Mctalldrahts in der Anodenröhre regelt. Dabei ist es günstig, nicht die Tcmpcraturändcrungcn des Metalldrahts, sondern die infolgedessen auftretende Änderung in der Elektronenemission als Steuersignal zu verwenden. Vorzugsweise kann dazu der auf die Anodenröhrc treffende, nicht verwendete Elcktroncnstrom benutzt werden. In dieser Ausführung wird die Anwendung einer Zylinderanode mit verhältnismäßig kleinen Öffnungen bevorzugt. Die Anode 2 kann in anderen Ausführungen beispielsweise auch die Form einer Sauganode mit einer kleinen, nahe dem Metalldraht liegenden Öffnung haben.

Die Erfindung schafft einen Elektronenstrahlerzeuger mit einer in einer Richtung sehr geringen Abmessung, wodurch dieser insbesondere für ein Abtast-Elektronenmikroskop brauchbar ist. Der auf den Gegenstand auftreffende Elektronenstrahl hat dabei eine der betreffenden Abmessung des Gegenstandes entsprechende Länge.

Durch die hohe Stromdichte des Elektronenstrahls ist der Nachteil einer bei einem hinreichenden Auflösungsvermögen für viele Anwendungen kaum oder nicht zureichenden Beleuchtung des Gegenstands beseitigt Auch hierbei kann man besonders an Abtasl-Hlektronenmikroskopc denken. Hierbei war es bisher oft durch ein zu geringes Signal nicht möglich, eine für bestimmte

ίο Untersuchungen bedeutsame Strahlung oder Teilchen wie beispielsweise ein verhältnismäßig schmales spektrales Gebiet von Röntgen- oder Gammastrahlung, zu registrieren.

Eine langgestreckte Elektronenquelle entsprechend der Erfindung eignet sich besonders zur Anwendung in einem Transniissions-Abtast-Elektronenmikroskop. Bei den bisher bekannten Geräten dieser Art macht sich nämlich der Nachteil eines zu geringen Signals bei zulässiger bzw. erreichbarer Stromdichte im Auftreffleck besonders bemerkbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahlerzeuger mit einem in Längsrichtung verschiebbaren Metalldraht als Kathode und mit Mitteln zum Erhitzen eines Teils des Metalldrahts durch einen Energiestrahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldraht gespannt und daß der Energiestrahl auf eine Seite des Metalldrahts gerichtet ist.

2. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldraht im Betrieb verschiebbar ist.

3. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldraht im Betrieb von einer ersten Spule auf eine zweite Spule wickelbar ist.

4. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, JaS Mittel vorhanden sind für eine auf die Temperatur des Metalldrahts reagierende automatische Verschiebung des Metalldrahts.

5. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich zu beiden Seiten der Auftreffstelle des Energiestrahls wärmeleitende Stützblöcke für den Metalldraht befinden, die mit dem Metalldraht in gutem Wärmekontakt stehen.

6. Elektronenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldraht gespannt und an der Auftreffstelle des Energiestrahls von einer hohlzyündcrförmigen Anode mit einer Einschußöffnung für den Energiestrahl und einer Austrittsöffnung für den zu emittierenden Elektronenstrahl umgeben ist.

7. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenröhre eine Länge von 5 bis 20 mm und einen Innendurchmesser von 0,5 bis 22 mm hat.

8. Elektronenstrahlerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldraht im wesentlichen aus Wolfram besteht und eine Dicke zwischen 5 und 50 μΐη aufweist.

y. Elektronenstrahlerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiestrahl ein Elektronenstrahl ist, der von einem Hilfselektronenstrahlerzeugungssystem aus auf den Metalldraht gerichtet ist.

10. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Fokussieren des Elektronenstrahls eine elektronenoptische Linse vorhanden ist.

11. Verwendung des Elektronenstrahler/xugers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Abtasl-E.lektronenmikroskop, bei dem der Abtaststrahl einen strichförmigen Querschnitt aufweist, dessen Länge einer Abmessung eines abzutastenden Gegenstands entspricht.

12. Verwendung des Elektronenslrahleiv.eugers nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtast-Elektronenmikroskop als Transmissions-Abtast-Elektronenmikroskop ausgeführt ist.

13. Verfahren zum Betrieb eines Elektronenstrahlerzeugers nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Metalldrahts 3400°C beträgt.

Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahlerzeuger mit einem in Längsrichtung verschiebbaren Metalldraht als Kathode und mit Mitteln zum Erhitzen eines Teils des Metalldrahts durch einen Energiestrahl.
Ein derartiger Elektronenstrahlerzeuger ist aus der DE-PS 10 28 244 bekannt. In einem darin beschriebenen Elektronenstrahlerzeuger wird eine Stirnfläche eines Metalidrahts durch einen darauf auftreffenden Ionenstrahl erhitzt. Das Verschieben der emittierenden

ίο Oberfläche durch Verdampfung und Zerstäubung von Kathodenmaterial an der Stelle der emittierenden Oberfläche wird durch ein Verschieben des Metalldrahts in Richtung der emittierenden Stirnfläche beseitigt. Mit dem beschriebenen Elektronenstrahlerzeuger wird bezweckt, die Speiseenergie für die Kathode im Vergleich zu einer durch einen elektrischen Strom geheizten Glühdrahtkathode zu verringern und eine für elektronen-optische Zwecke bessere Potentialverteilung nahe der Kathode zu verwirklichen. Letzteres wird dadurch erreicht, daß der Ionenstrahl eine neutralisierende Wirkung auf die Raumladung für die emittierende Kathodenoberfläche hat. Das Ende des Metalldrahts wird auf eine für Glühdrahtkathode normale Temperatur erhitzt. Eine bedeutend höhere Temperatur läßt sich in diesem Gerät nicht verwirklichen, weil die emittierende Oberfläche dann Instabilitäten aufweisen würde.

Ein Elektronenstrahlerzeuger, bei dem Elektronen von einem gespannten Metalldraht emittiert werden, ist

ω aus der US-PS 28 87 599 bekannt.

Aus der DD-PS 47 652 ist ein Elektronenstrahlerzeuger mit einer von einer direkt geheizten Stoßkathode, geheizten massiven Kathode bekannt.

Die Erfindung bezweckt, einen Elektronenstrahlerzeuger zu schaffen, bei der die emittierende Oberfläche der Elektronenquelle definierte Abmessungen hat und die Stromdichte des Elektronenstrahls an der Kathodenoberfläche wesentlich gegenüber bekannten Elektronenstrahlerzeugern erhöht ist und sie ist dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldraht gespannt und daß der Energiestrahl auf eine Seite des Metalldrahts gerichtet ist.

In dem erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger kann der Metalldraht ohne Gefahr von UnStabilitäten auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur aufgeheizt werden. Indem der Metalldraht dünn gewählt wird, ist eine Abmessung der emittierenden Oberfläche durch eine Dickenabmessung des Metalldrahts bestimmt. Die Abmessung der emittierenden Oberfläche in Längsrichtung des Metalldrahts kann entweder durch eine aufgeprägte Temperaturverteilung oder durch mechanische Hilfsmittel auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Hierdurch kann auf einfache Weise eine längliche emittierende Oberfläche mit in einer Richtung kleinen Abmessungen und einer hohen Stromdichte für den zu emittierenden Elektronenstrahl verwirklicht werden.

Es ist vorteilhaft, den Metalldraht im Betrieb zu verschieben, wodurch der Elektronenquelle eine lange Lebensdauer verliehen werden kann.

Die Erfindung wird anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abtast-

M Elektronenmikroskops, in dem ein Elektronenstrahlerzeuger gemäß der Erfindung Verwendung findet,

F i g. 2 eine detailliertere perspektivische Darstellung des Elcktronenstrahlerzeugers des Abtast-Elektronen-