DE19604272A1

DE19604272A1 - Laserbestrahlungs-Elektronenkanone

Info

Publication number: DE19604272A1
Application number: DE1996104272
Authority: DE
Inventors: Takayoshi Kimoto
Original assignee: National Research Institute for Metals
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 1995-02-06
Filing date: 1996-02-06
Publication date: 1996-08-08
Also published as: NL1002246C2; JPH08212952A; NL1002246A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserbestrahlungs- Elektronenkanone. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine neue Bauart einer Elektronenkanone, die Elektro nenstrahlen sehr hoher Intensität erzeugen kann und die vorzugsweise auf einem technologischen Gebiet Anwendung findet, wo solche Elektronenstrahlen erforderlich sind, wie beispielsweise bei Elektronenmikroskopen der Trans missions- oder Übertragungsbauart, die Elektronenmikro skope mit hoher Auflösung für ein kryogenes System auf weisen, ferner findet die Erfindung Anwendung bei Elek tronenmikroskopen der Abtastbauart und bei der Elektro nenstrahlholografie.

Eine Elektronenkanone der thermionischen Emissionsbauart oder Feldemissionsbauart ist in herkömmlicher Weise be kannt für ein eine Elektronenkanone verwendendes Elektro nenmikroskop. Ein Merkmal einer Elektronenkanone der thermionischen Emissionsbauart besteht darin, daß Ther moelektronen von der Oberfläche eines einen hohen Schmelzpunkt besitzenden Metalls abgeleitet werden und zwar durch Erhitzen desselben auf hohe Temperaturen und durch Beschleunigung dieser Thermoelektronen. Anderer seits erzeugt die Elektronenkanone der Feldemissionsbau art Elektronenstrahlen und beschleunigt diese in einem starken elektrischen Feld, welches durch einen scharfen, spitzen Teil des Fadens mit einem kleinen Krümmungsradius erzeugt wird. Diese Elektronenkanone gibt es in zwei Bau arten. Die eine ist die thermische Feldemissionsbauart, bei der ein derartiger Faden erhitzt wird, die andere Bauart ist die Kaltfeldemissionsbauart, bei der der Faden nicht erhitzt wird. Die Elektronenkanone der Feldemissi onsbauart hat einige Vorteile, insofern, als Fokussie rungselektronenstrahlen mit hoher Stromdichte, d. h. mit hoher Intensität die ungefähr zwei Größenordnungen größer ist als bei der Bauart mit thermionischer Emission er zeugt werden und zwar infolge eines quantenmechanischen Tunneleffektes. Die höhere Intensität und auch die höhere Kohärenz der Fokussierelektronenstrahlen verbessert die Positionspräzision der Elementaranalyse durch Elektronen mikroskope in den Submikronbereichen, was eine Verbesse rung der Qualitäten des Bildes und der Auflösungsleistung bei der Kurzzeitfotografie zur Folge hat und eine Verbes serung der Elektronenstrahlholografie ermöglicht.

Tatsächlich haben jedoch diese konventionellen Elektro nenkanonen eine Grenze hinsichtlich der erzeugten Elek tronenstrahlen.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Laserbestrahlungs- Elektronenkanone vor, die eine Elektronenkanone der ther mischen Feldemissionsbauart oder der thermionischen Emis sionsbauart aufweist und ferner Mittel zur Laserbestrah lung eines spitzen oder Endteils eines Fadens der Elek tronenkanone.

Im folgenden werden nunmehr einige Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung be schrieben; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines spitzen Teils eines Fadens einer Laserbestrahlungs-Elektro nenkanone;

Fig. 2 einen Schnitt eines Ausführungsbeispiels einer Laserbestrahlungskanone;
Bei der erfindungsgemäßen Laserbestrahlungs-Elektronenka none wird durch einen Laser ein Spitzen- oder Endteil ei nes Fadens wie oben erwähnt bestrahlt. Wenn, wie in Fig. 1 gezeigt, Photonen (3) mit einer Frequenz ϑ auf die Oberfläche eines spitzen Teils (1) des Fadens gestrahlt werden, so erhalten die freien Elektronen (2) in der Nähe der Oberfläche des Fadens Energie hϑ (das Symbol h bedeu tet die Planksche Konstante) und zwar infolge des pho toelektrischen Effektes. Wenn eine Summe dieser Energie und der diesen freien Elektronen (2) erteilten thermi schen Energie durch sowohl Laserbestrahlungserwärmung als auch elektrische Erhitzung die Austrittsarbeit oder Ar beitsfunktion W übersteigt, wobei es sich hier um die mi nimale Energie freier Elektronen (2) zum Austritt aus der Oberfläche handelt, so werden Elektronen (4) von Gebieten in der Nähe der Fadenoberfläche emittiert. Anders ausge drückt hat die kinetische Energie der Elektronen eine Be ziehung wie folgt:
(½)mV² = hϑ + ckT - W < 0

hϑ: Energie des Laserphotons (gegeben durch den pho toelektrischen Effekt)
ckT: thermische Energie
c = 0 - 1
k = Boltzmannsche Konstante
T = absolute Temperatur eines Spitzenteils des Fa dens
W: Arbeitsfunktion.

Diese Beziehung gibt die Bedingung für vom Faden zu emi ttierende Elektronen an. Die Laserbestrahlung, die elek trische Erwärmung oder Erhitzung des Fadens und des Krüm mungsradius R würden vorzugsweise eingestellt, um die oben erwähnte Bedingung zu erfüllen. Die Austrittsarbeit (Arbeitsfunktion) W wird als eine Funktion des Radius (R) des spitzen Teils ausgedrückt. Wenn der Radius (R) ab nimmt, so wird die Arbeitsfunktion W kleiner, da die elektrische Feldstärke um den spitzen Teil (1) abnimmt und zwar hervorgerufen durch die Potentialdifferenz zwi schen dem Faden und der Ableitungselektrode zum Ableiten von Elektronen emittiert von der Fadenoberfläche. Dies hat die Emission von viel mehr Elektronen (4) zur Folge.

Im Falle der Elektronenkanone der Feldemissionsbauart ist der Radius (R) so klein (ungefähr eine Größenordnung von 100 nm), daß viel mehr Elektronen (4) infolge des Tunnel effektes emittiert werden.

Infolgedessen können Elektronenstrahlen in sehr hoher In tensität durch einen Synergieeffekt erzeugt werden und zwar des photoelektrischen Effekts, des thermischen Effekts, der Erhitzung und des quantenmechanischen Tun neleffekts infolge des Submikronradius der Krümmung.

Wenn die Wellenlänge des Lasers abnimmt, so steigt wegen des Photoemissionseffektes die den Elektronen erteilte Energie an. Im allgemeinen wird folgendes in Betracht ge zogen: die Wellenlängenabhängigkeit der Quanteneffizienz, die das Verhältnis (%) ist, der Anzahl erzeugter Elektro nen zu der bestrahlter Photonen. Es wäre erwünscht, die Wellenlänge derart auszuwählen, daß es sie dem besten Zu stand oder der besten Bedingung entspricht: viele Elek tronen werden entsprechend der Austrittsarbeit oder Ar beitsfunktion emittiert, die Form und die elektrische Spannung angelegt an den Faden werden berücksichtigt. Im Falle eines Wolframfadens mit einer Arbeitsfunktion von 4,45 eV, der bei einer Elektronenkanone der thermioni schen Emissionsbauart und auch bei einer der Feldemissi onsbauart verwendet wurde, wird die Elektronenemission nur durch den Photoemissionseffekt erreicht und zwar durch Bestrahlung der Photonen deren Wellenlänge kleiner als 273 nm ist. Im Falle eines Fadens hergestellt aus dem Material mit niedrigerer Austrittsarbeit oder Arbeits funktion, wie beispielsweise LaB₆, dessen Arbeitsfunktion 2,66 eV ist, ist es nicht notwendig, Photonen zu wählen, deren Wellenlänge kleiner ist als die von sichtbaren Strahlen. Es wird jedoch in Betracht gezogen, daß eine kürzere Wellenlänge zu bevorzugen ist, solange die Wel lenlänge einer höheren Quanteneffizienz entspricht.

Die Anzahl der von dem spitzen Teil emittierten Elektro nen steigt mit dem Anstieg der den Faden bestrahlenden Laserintensität an. Impulswellen sind für die kurzzeitbe lichtete Abbildung nicht geeignet, da die Anzahl der von dem Faden emittierten Elektronen sich wie ein Impuls än dert und insofern als die Temperatur einer durch Elektro nenstrahlen bestrahlten Probe sich ebenfalls wie ein Im puls bei der Änderung der Strahlen ändert. In diesem Zu sammenhang kann man sagen, daß eine kontinuierliche La serbestrahlung gegenüber einer impulsartigen Laserbe strahlung zu bevorzugen ist. Solche Probleme aber wären nicht kritisch im Falle, daß die Belichtungszeit für die Abbildung wesentlich länger ist als die Impulsdauer.

In jedem Falle würde die geeignetste Wellenlänge, die ei ne große Anzahl von emittierten Elektronen zur Folge hat, derart ausgewählt werden, daß man auch solche Parameter in Betracht zieht wie das Fadenmaterial (Arbeitsfunktion und Schmelzpunkt), die Form, die angelegte elektrische Spannung, die Temperatur und die Quanteneffizienz.

Was die Materialien für einen Faden anlangt, so sind Wolfram (W) und hexagonales Lanthanborid (LaB₆) die popu lärsten Materialien und wurden konventioneller Weise ver wendet. Kürzlich wurde auch ZrO/W als ein wahlweiser Fa den für die Elektronenkanone der Feldemissionsbauart an gewandt.

Diese Materialien sind exellent insofern, als ihre Schmelzpunkte hoch liegen, die Austrittsarbeit (Arbeitsfunktion) niedrig ist, die Bearbeitung zur Aus bildung einer scharfen Spitze verfügbar ist und daß diese Materialien ferner im Vakuum und bei hohen Temperaturen über eine lange Zeit (lange Lebensdauer) stabil sind. Bei der Auswahl der geeignetsten Wellenlänge werden diese Ma terialien für den Faden wie auch mehrere Eigenschaften des Lasers in Betracht gezogen.

Die erfindungsgemäße Laserbestrahlungs-Elektronenkanone kann Elektronenstrahlen mit ultrahoher Intensität erzeu gen, und zwar entsprechend einem synergistischen Effekt aus dem photoelektrischen Effekt bewirkt durch die Laser bestrahlung des spitzen Teils des Fadens der Elektronen kanone der thermischen Feldemissonsbauart oder der ther mionischen Emissionsbauart, des quantenmechanischen Tun neleffektes und des thermischen Effektes der Erhitzung. Im Falle, daß die Elektronenkanone der thermionischen Emissionsbauart verwendet wird, kann die Erzeugung von Elektronenstrahlen mit ultrahoher Intensität mit geringen Kosten erreicht werden.

Die Elektronenstrahlen mit höherer Intensität sind für Elektronenmikroskope aus folgenden Gründen vorteilhaft:

a) die Bildqualität, nämlich das Signal zu Rauschverhält nis wird bei kurzzeitig belichteter Abbildung verbessert. Die Kurzzeitbelichtungsabbildung überwindet beispielswei se die Verschlechterung der Auflösungsleistung, die durch geringe Drifts oder Schwingungen der Probe in der kryon genischen Observation hervorgerufen wird. Eine Kombina tion der Kurzzeitfotografie und der Elektronenstrahlen mit hoher Intensität verbessert die Auflösungsleistung in der kryogenen Observation.
b) die Kohärenz der Elektronenwelle wird natürlich mit hoher Intensität verbessert und daher ist die Elektronen strahlholografie verfügbar. Die Elektronenstrahlhologra fie ist anwendbar auf eine direkte Observation des Ma gnetfeldes in dem Material. Dies sei als Beispiel ge nannt. Eine Observation des Fluxoidquantums in Oxidsuper leitern ist während ihres superleitenden Zustandes ver fügbar. Die Elektronenstrahlholografie selbst verbessert auch die Auflöseleistung der Elektronenmikroskope. Ausge zeichnete Funktionen der Elektronenstrahlholografie wer den mit hoher Intensität erwartet.
c) die Auflösungsleistung der Elektronenmikroskope wird durch die Kohärenzverbesserung verbessert. Eine solche Verbesserung ist unter bestimmten Bedingungen der soge nannten Informationsgrenze gegeben.
d) die Analysezeit der analytischen Elektronenmikroskope kann verkürzt werden. Die Quantität oder Größe der Pro bendrift während der Analyse der Elemente wird klein und die Präzision der Analysepositionen wird verbessert. Im allgemeinen wird mehr als die kritische Zahl der Röntgen strahlphotonen, erzeugt durch die Elektronenbestrahlung notwendig, um eine präzise Analyse auszuführen.

Die Elektronenstrahlen, erzeugt durch die Laserbestrah lungs-Elektronenkanone haben mehrere der im folgenden aufgezählten Merkmale:

i) Die Energieverteilung der Elektronen ist schmal.
ii) Die kinetische Energie ist kontinuierlich stabil.
iii) Die Intensität ist kontinuierlich stabil mindestens in einem Intervall von mehr als einer Sekunde.
iv) Die Fokussierung ist ausgezeichnet.

Beispiel

Es sei nunmehr ein Beispiel erläutert, um die Erfindung im einzelnen darzulegen. Die Erfindung ist freilich nicht auf das folgendes Ausführungsbeispiel beschränkt.

Wie in Fig. 1 bzw. 2 gezeigt, wird ein von einem Laseros zillator (6) emittierter Laser oder Laserstrahl durch ei ne Linse (7a und 7b) eingestellt und seine Richtung wird durch Reflektionsspiegel (8a, 8b) ausgerichtet. Der Laser oder Laserstrahl wird in die Innenseite oder das Innere einer Elektronenkanone (18) durch ein Fenster (9) einge führt, wobei diese aus einer Linse (10) und einem trans parenten Glas (11) besteht. Sodann wird der Laser durch einen weiteren Reflektionsspiegel (16) oder einen konka ven Spiegel fokussiert und gelangt zu einem spitzen (einem einen geringen Krümmungsradius) Teil eines Fadens (12). Die Fokussierung und Ausrichtung der Laserstrahlung kann dadurch durchgeführt werden, daß man den spitzen Teil des Fadens (12) beobachtet, wobei das Bild des spit zen Teils durch eine Kamera (15) durch ein Beobachtungs- oder Observationsfenster (14) vergrößert werden kann. Diese Fokussierung und Ausrichtung wird durch Steuerung der Linse (7a, 7b und 10) erreicht und ferner durch die Reflektionsspiegel (8a, 8b und 16). Der Faden (12) wird durch die Laserstrahlung erhitzt und seine Temperatur wird durch elektrische Erhitzung gesteuert. Bei dieser Temperatursteuerung wird die Fadentemperatur detektiert und durch ein Pyroskop durch Fenster (14) reguliert. Eine große Anzahl von Elektronen wird von der Oberfläche des Fadenspitzenteils, der durch den Laser bestrahlt wird, emittiert und durch eine Ableitungselektrode (13), die auf eine Plusspannung eingestellt ist, abgeleitet. Diese Elektronen werden durch einen Fokussierelektromagneten (17) fokussiert und sodann werden sie zur einer Proben kammer eines Mikroskops durch ein Beschleunigungsrohr ge leitet. Die Laserbestrahlungs-Elektronenkanone kann auch bei Vorrichtungen und Technologien Einsatz finden, bei denen eine Elektronenkanonen mit hoher Intensität und ho her Qualität erforderlich ist.

Zusammenfassend sieht die Erfindung Mittel vor zur Laser bestrahlung eines spitzen Teils oder eines einen kleinen Krümmungsradius aufweisenden Teils eines Fadens und zwar für eine Elektronenkanone der thermischen Feldemissions bauart oder der thermionischen Emissionsbauart.

Claims

1. Eine Laserbestrahlungs-Elektronenkanone, die folgen des aufweist: eine Elektronenkanone der thermischen Feldemissionsbauart oder der thermionischen Emissi onsbauart und Mittel zur Laserbestrahlung eines spitzen Teils eines Fadens der Elektronenkanone.

2. Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Laseroszillator (6) vorgesehen ist.

3. Elektronenkanone nach einem oder mehreren der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laseroszillator (6) durch Linsenmittel (7a, 7b) eingestellt wird und daß seine Richtung vorzugsweise durch Reflektionsspiegelmittel (8a, 8b) ausgerichtet wird.

4. Elektronenkanone nach einem oder mehreren der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Laserstrahlung in die Elektronenkanone (18) durch Fenstermittel (9) eingeleitet wird.

5. Elektronenkanone nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fenstermittel Linsenmittel (10) und ein transparentes Glas (11) aufweisen.

6. Elektronenkanone nach einem oder mehreren der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser durch einen weiteren Reflektionsspiegel (16) oder einen konkaven Spiegel fokussiert wird.

7. Elektronenkanone nach einem oder mehreren der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung und die Ausrichtung durch Steuerung der Linsenmittel (7a, 7b, 10) und/oder Reflektions spiegel (8a, 8b, 16) erreicht wird.

8. Elektronenkanone nach einem oder mehreren der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden (12) durch Laserbestrahlung erhitzt und die Temperatur durch elektrische Erhitzung gesteuert wird.

9. Elektronenkanone nach einem oder mehreren der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursteuerung auf der Detektion der Faden temperatur beruht und ein Pyroskop die Regulierung vornimmt.