Электронная пушка с отклоняющей системой и способ формирования электростатического поля в отклоняющей системе Советский патент 1992 года по МПК H01J29/48 

Изобретение относится к электронно- оптическим системам, в частности к системам формирования электронного пучка и сканирования им поверхности образца и предназначается для целей методики дифракции медленных электронов (ДМЭ), а также оже-спектроскопии и растровой электронной микппг-кппии.

Известна электронная пушка для исследования ДМЭ и оже-электронов марки 981- 2125 на энергии 3-1500 и 200-3000 эВ.

Недостатками этой пушки являются большой размер электронного пятна на образце (при Е- 50 эВ, d 1 мм. при эВ мм) и малый ток электронного пуч«

(приЕ- ЮОэВ 1 0.2-О.ЗмкА, приЕ- ЮэВ 1 0,01 мкА).

Известна трехэлектродная. фокусирующая система из цилиндрических электродов, обеспечивающая фокусировку пучка с различной энергией: в одном и том же

месте.

Недостатком этой системы является узкий диапазон энергий (один-два порядка), при котором пучок фокусируется на объект. Известно устройство, содержащее электронную пушку, электростатическую линзу, отклоняющую систему с восемью коническими электродами, установленными вокруг пучка на малом расстоянии друг от друга и электрически изолированными с целью подачи на каждый электрод потенциалов для отклонения пучка, сфокусированного на поверхность мишени.

Недостатком этой отклоняющей системы является сложность конструкции (восемь электродов) и схемы питания из-за необходимости подачи на каждый электрод определенного потенциала.

Известен способ формирования электростатического коля в отклоняющей системе с совмещенными центрами отклонения, состоящей из 12-и электродов, расположенных на образующей цилиндра, путем подачи основных и дополнительных отклоняющих напряжений на каждую пэру противолежащих электродов.

Недостатком такого способа является сложная схема питания из-за необходимости обеспечить 12 различных по величине напряжений.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является электронная пушка, содержащая катодный узел, управляющий электрод, анод, фокусирующую систему из трех цилиндрических электродов одинакового диаметра и отклоняющую в двух взаимно перпендикулярных направлениях электростатическую систему.

К недостаткам такой электронной пушки относятся большой размер электронного пятна на образце (при энергии Е 100 эВ диаметр пучка d 0,3 - 0.2мм, априЕ 50эВ d , 1 мм), малая плотность тока в пучке (J2 0.07 мкА/мм2 при Е 100 эВ, так как ток на выходе пушки равен 0,1 мкА при диаметре апертуры 0,052 дюйма), сложная конструкция, включающая по крайней мере шесть электродов для формирования и фокусировки i электронного пучка, а также две пары последовательно расположенных отклоняющих пластин.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ формирования электростатического поля в отклоняющей системе с совмещенными центрами отклонения, состоящей из одинаковых электродов, расположенных по

образующим цилиндра путем подачи на пары электродов равных по величине и противоположных по знаку напряжений. Способ состоит в подаче на две пары одинаковых по размеру противолежащих

0 электродов, расположенных по образующим цилиндра, равных по величине и противоположных по знаку напряжений, отклоняющих пучок в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

5 Недостатком этого способа является то. что формируемое таким образом электростатическое поле сильно неоднородно. Так, в области 0,3 апертуры отклоняющей системы неоднородность поля составляет -.10%,

0 что не позволяет получить достаточно большой размер растра без искажения его формы на краях.

Целью изобретения является уменьшение размера электронного пятна на образ5 це. повышение плотности тока пучка, увеличение размера растра при сохранении его формы, а также упрощение конструкции.

Указанная цель достигается тем, что в

0 электронной пушке с отклоняющей системой, содержащей катодный узел, управляющий электрод, анод, фокусирующую систему из электродов одинакового диаметра и отклоняющую систему в виде цилиндра,

5 разрезанного по образующим на четное число частей, фокусирующая система содержит четыре электрода, включая в качестве первого электрода анод, а в качестве последнего - отклоняющую систему в виде

0 цилиндра, разрезанного на шесть одинаковых частей с зазорами между ними, причем длины электродов соответственно равны H/D - 1,5 - 1,7; 12/D - 1; 1з/0 2.5: WD - -1.5 - 2.0, расстояние между электродами

5 равны S/D 0,3 - 0.5, в середине третьего электрода установлена диафрагма диаметром d (d/D 0,15 - 0,25. где D - внутренний диаметр электродов).

Цель увеличения размера растра при

0 сохранении его формы достигается и в способе формирования электростатического поля в отклоняющей системе с совмещенными центрами отклонений, состоящей из шести одинаковых электродов, располо5 женных по образующим цилиндра или конуса, путем подачи на пэры электродов равных по величине и противоположных по знаку напряжений, в котором на пару электродов, расположенных справа и слева от электрода с напряжением +Vy. подают напряжения (± Vx + 1/2 Vy) соответственно. а на пару электродов, расположенных справа и слева от электрода с напряжением - Vy. - напряжения (± Vx - 1/2 Vy) соответственно, где ± Vy и ± Vx - независимые напряжения, определяющие отклонение пучка в двух взаимно перпендикулярных направлениях. .

Выполнение фокусирующе-откломяю- щей системы электронной пушки в виде четырех электродов с определенными геометрическими параметрами, ограничивающей пучок диафрагмой, установленной в середине третьего электрода, при соответствующих напряжениях на электродах позволяет получить на образце электронное пятно меньшего, чем у прототипа, диаметра, а также большую плотность тока в пучке по сравнению с прототипом (см. табл. 1). Пределы изменения длины первого электрода 1,5 5 h/D 1.7 обеспечивают стыковку предлагаемой фокусирующей системы с катодной линзой при варьировании ее геометрии (расстояний катод - управляющий электрод - анод). При выходе за нижний предел изменения длины четвертого электрода WD 1.5 возникает искажение поля из-за краевых эффектов, выход за верхний предел h/D 2 увеличивает габариты системы. Выход за нижний передел расстояния между электродами S/D 0.3 может привести к электрическому пробою, вых од за верхний предел S/D 0.5 - к нежелательному проникновению в систему внешних полей.

При выходе за нижний предел диаметра диафрагмы d/D 0,15 существенно зарезается ток электронного пучка; при выходе за. верхний предел - d/D 0.25-велик размер пятна на образце.

Выполнение отклоняющей системы в виде цилиндра, разрезанного по образующим на шесть одинаковых частей с малыми зазорами между ними, позволяет путем подачи на три пары противолежащих электродов строго определенных напряжений сформировать электростатическое поле, однородность которого на порядок лучше, чем у прототипа (см. табл. 2).

. Это обстоятельство обеспечивает высокую линейность отклонения при предлагаемом способе формирования отклоняющего поля и дает возможность примерно в 3-4 раза увеличить площадь растра по сравнению с прототипом при сохранении его формы.;

Совмещение последним электродом электронной пушки двух функций, а именно отклонение пучка наряду с участием в его

фокусировке, упрощает конструкцию пушки, так как общее количество ее электродов, включая катод, равно шести, а то время как 5 у прототипа их как минимум семь.

На чертеже представлена электронно- оптическзя система пушки а) сечение электродов плоскостью вдоль продольной оси. б) поперечное сечение электродов.

10 На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - катод. 2 управляющий электрод (цилиндр Венельтз). 3 - анод. 4 анодное отверстие, 5- 7 электрод - фокуси- рующе-отклоняющей системы. 8 - ограничм15 вэющая диафрагма. 9 образец (плоскость фокусировки), 10, 101, 11, 11 и 12. 12 - три пары одинаковых по размерам электродов, образующих отклоняющую систему 7, которая одновременно является последним

0 электродом фокусирующей системы.

Устройство работает следующим образом.

Пучок электронов вытягивается из катода разностью потенциалов между катодом 1

5 и анодом 3 и одновременно формируется с помощью разности потенциалов между катодом 1 и управляющим электродом 2 в слаборасходящийся пучок. Рабочая часть пучка образуется за счет вырезания отверстия 4 в

0 аноде так. чтобы в пучке удовлетяорялась линейная зависимость между рлг.стоянием от оси и угловой расходимостью пучка. Далее пучок проходит последователыЧг.осЪсте- му цилиндрических электродов 2, 5, 6, 7 с

5 ограничивающей диафрагмой 8, установленной п середине электрода G. и Фокусируется ил образце 9. Для осуществления .сканирования пучком поверхности оОраэ- ца 9 в двух пзаимно перпендикулярных

0 направлениях на каждую из трех пар электродов 10, 10, 11. 11. 12, 12 подают определенные потенциалы, одинаковые по величине и противоположные по знаку. При этом на поверхности образца образуется

5 растр с малыми искажениями на краях.

В качестве примера были рассчитаны на ЭВМ параметры электронной пушки с диапазоном рабочих энергий 5 - 5000 эВ, формирующей пятно, сканирующее пооерх0 ность образца, расположенного на расстоянии g 60 мм от выходной границы пушки. Внутренний диаметр электродов D -- 6 мм, длины электродов 11 10 мм,- Ij б мм, 1з .-15 мм, Ц 10 мм, величины зазоров меж5 ду электродами Si 82 2 мм. Si -- 3 мм, диаметр ограничивающей диафрагмы d - «1 мм. Расчет вытягивающей системы (катод-управляющий электрод - анод) проведено методом решения самосогласованной задачи, включающей расчет электростатического.пиля, и решения уравнений движеия электронного пучка с учетом объемноо заряда. В результате выбраны оптиальные геометрические параметры ытягивающей системы, а также потенциаы на аноде VA - 73,100 и 500 В при нулевом потенциале на катоде и управляющем элекроде, которые обеспечивают в плоскости нодной диафрагмы в пучке диаметром .5 им ток 1д « 0,35. 0,88 и.4.30 мкА соответтвенно.

Кроме того, в этой же плоскости рассчитаны фазовые характеристики, связывающие размер пучка с его угловой расходимостью.

Эти данные использованы в качестве начальных условий при расчете фокусирующей системы с указанной выше геометрией. В табл. 1 приведены результаты расчёта потенциалов на электродах Vi, V2, Va, V4. обеспечивающих указанные величины плотности тока на выходе диаметр пучка do и ток to на образце в широком диапазоне изменения рабочих энергий Е - -5-5000эВ.

Пропорциональное изменение размеров электродов не меняет величин фокусирующих потенциалов и плотности тока на выходе системы. При этом в первом приближении размер пятна на образце меняется Линейно относительно коэффициента подобия размеров, а величина тока на образце - по квадратичному закону.

Для обеспечения сканирования электронным пучком поверхности образца, расположенного на расстоянии 60 мм. рассчитаны потенциалы, которые следует подавать на четвертый, разрезанный на шесть одинаковых частей, электрод диаметро м 6 мм и длиной 10 мм.

В табл. 2 приведены результаты расчета величин потенциалов Uк U. Уз. отнесенные к ускоряющему потенциалу . подаваемых на три пары противолежащих электродов 10, 10 11, IV и 12, 124см. фиг. 1). Указанные потенциалы обеспечивают отклонение пучка на образце величиной S ± (1 - 4) мм. При указанных в табл. 2 максимальных величинах потенциалов пучок в отклоняющей системе занимает ± 1 мм. т. е. 0,3 ее апертуры. Неоднородность поля при этом 0,8%. Это означает, что растр площадью 4x4 мм имеет форму, близкую к прямоугольной, так как нелинейность на краях не превышает 1%.

Проведенные расчеты показали, что предлагаемая электронная пушка г. отклонением пучка по сравнению с прототипом обеспечивает уменьшение размера электронного пятна в 2-3 раза, повышение плотности тока пучка на порядок, уменьшение размера растра по плоЩади в 3-4 раза. При этом конструктивно предлагаемая пушка

проще, так как содержит по крайней мере, на один электрод меньше.

Изобретение может использоваться в ряде приборов, таких как дифрактометр медленных электронов, оже-спектрометр,

низковольтный растровый электронный микроскоп и т. д. .

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1. Электронная пушка с отклоняющей системой, содержащая катодный узел, управляющий электрод, фокусирующую систему из электродов одинакового диаметра, включающую анод в качестве первого электрода и отклоняющую систему в виде цилиндра, разрезанного по образующей на четное число частей, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения размера электронного пятна, повышения плотности тока, увеличения размера растра при сохранении его формы, а также упрощения конструкции, фокусирующая система выполнена в виде четырех электродов с длинами первого - h (см), второго - 1г (см), третьего - з(см). четвертого - 14 (см) и внутренним диаметром D (см), выбранными в соответствии с условиями h/D 1.5 + Т,7: I2/D 1: I3/D 2,5; M/D-1.5 + 2.0. а третий электрод выполнен с диафрагмой в

середине с диаметром отверстия d (см)

d/D 0,15+ 0,25.

причем последний электрод совмещен с отклоняющей системой и выполнен в виде ци- линдра, разрезанного по образующей на

шесть одинаковых частей с зазором между ними.

2. Способ формирования электростатического поля в отклоняющей системе, выполненной в виде цилиндра или конуса,

разрезанного по образующей на шесть электродов, путем подачи на пары противоположных электродов равных по величине и противоположных по знаку напряжений, отличающийся тем. что, с целью

0 увеличения размера растра при сохранении его формы, на пару электродов, смежных с электродом с напряжением + Vy, подают напряжение ±Vy+1/2Vy. а на пару электродов, смежных с электродом с напряжением 5 Vy. - напряжение ± Vx - 1/2 Vv, где Vx и Vy - напряжения, определяющие отклонение электронного пучка по взаимно перпендикулярным направлениям.

Таблица 1

Изобретение относится к электронно- оптическим системам, в частности к системам формирования электронного пучка И сканирования им поверхности образца. Изобретение предназначается для целей методики дифракции медленных электронов, а также оже-спектроскопии и растровой электронной микроскопии. Цель изобретения - уменьшение размера электронного пятна на образце, повышение плотности тока, увеличение размеров реестра при сохранении его формы, а также упрощение конструкции. Фокусирующая система в электронной пушке состоит из четырех цилиндрических электродов с геометрическими размерами, связанными определенными соотношениями. Первым электродом фокусирующей системы является анод, последним - отклоняющая система в виде цилиндра, разрезанного по образующей на шесть частей. Третий электрод снабжен диафрагмой. Приводятся соотношения геометрических размеров электродов. При работе пушки на пары противоположных электродов подаются равные по абсолютной величине и противоположные по знаку напряжения, 2 табл. 1 ил. VJ S3 ю к VI