Электронная пушка с отклоняющей системой и способ формирования электростатического поля в отклоняющей системе

 

Изобретение относится к электроннооптическим 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

СОЮЗ СОВЕ ТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 01 J 29/48

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ пО иЗОБРетениям и ОткРытитм

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

V, Ьд О

ЬЭ

«4

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (46) 23.06,93. Бюл. М 23 (21) 4762124/21 (22) 27,11.89 (71) Специальное конструкторское бюро Физико-технического института им. А.Ф.. Иоффе и Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе (72) Т.Я. Фишкова, А,А, Шапоренко, Л.П, Овсянникова, С.В. Пасовец, Г;А. Вязьменова и

Р П. Фидельская (56) Harting E.,Read F. N. Electrostatic lenses.

Amsterdam — Oxford — N. Y... .1976, р. 111-151.

Logally M. 6 „Martin J. А, Аппаратура для исследования дифракции медленных электронов, Обзор в Review Scientific Instru-

ments, 1983, 54, N. 10 с. 1278 — 1280 (русский перевод ПНИ 1983, М 10, с. 10 — 11).

Авторское свидетельство СССР

М 1468294, кл. Н 01 J 3/30, 29/74, 1986.

Страй>кевич А. М. Электррнная оптика электростатических полей, не обладающих осевой симметрией. — М.; l959, с. 140-148. (прототип). (54) ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА С ОТКЛОНЯЮЩЕЙ СИСТЕМОЙ И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В

ОТКЛОНЯЮЩЕЙ СИСТЕМЕ б

Изобретение относится к электроннооптическим системам. е 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 элек. тронной мико Ы„„1729247 А1 (57) Изобретение относится к электроннооптйческим 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.

Известна электронная пушка для исследования ДМЗ и оже-электронов марки 9812125 на энергии 3-.1500 и 200-3000 эВ.

Недостатками этой пушки являются большой размер электронного пятна на образце (при Е= 50 эВ, И =1 мм. при Е 5 sS б 2 мм) и малый ток электронного nv4K

1729247 (при Е=.100 эВ! -0,2 — 0,3 мкА, при Е - 10 эВ ! 001 мкА), Известна трехэлектродная. фокусирующая система иэ цилиндрических электродов, Обеспечивающая фокусировку пучка 5 с различной энергией: в одном и том же месте.

Недостатком этой системы является узкий диапазон энергий (один-два порядка), при котором пучок фокусируется на обьект. 10

Известно устройство, содержащее электронную пушку, электростатическую линзу, отклоняющую систему с восемью коническими электродами, установленными вокруг пучка на малом расстоянии друг от 15 друга и электрически изолированными с целью подачи на каждый электрод потенциалов для отклонения пучка, сфокусированного на поверхность мишени, Недостатком этой отклоняющей систе- 20 мы является сложность конструкции (восемь электродов) и схемы питания из-эа необходимости подачи на каждый электрод определенного потенциала.

Известен способ формирования элект- 25 ростатического ноля в отклоняющей системе с совмещенными центрами отклонения, состоящей из 12-и электродов. расположенных на образующей цилиндра, путем подачи основных и дополнительных откло- 30 няющих напряжений на каждую пару противолежащих электродов, Недостатком такого способа является сложная схема питания из-эа необходимости обеспечить 12 различных по величине 35 напряжений.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является электронная пушка, содержащая катодный узел, управляющий.электрод. анод, фокусирующую си- 40 стему из трех цилиндрических электродов одинакового диаметра и отклоняющую в двух взаимно перпейдикулярных направлениях электростатическую систему.

К недостаткам такой электронной пуш- 45 ки относятся большой размер элек гронного пятна на образце (при энергии Е 100 эВ диаметр пучка d 0,3 — 0.2 мл, а при Е<50эВ

d ) 1 мм), малая плотность тока в пучке (J 0.07мкА/мм при F >100эВ, так как ток 50 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 электронного, пучка, а также 55 две пары последовательно расположенных

ОТКЛОНЯЮЩИХ ПЛдСТИН.

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 одинаксэых по размеру противолежащих электродов, расположенных по образующим цилиндра. равных по величине и противоположных по знаку напряжений, отклоняющих пучок в двух взаимно перпендикулярных направлениях, Недостатком этого способа является то. что формируемое таким образом электростатическое поле сильно неоднородно. Так, в области 0,3 апертуры отклоняющей системы неоднородность поля составляет "107 „ что не позволяет получить достаточно большой размер растра без.искажения его формы иа краях.

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

Указанная цель достигается тем, что в электронной пушке с отклоняющей системой, содержащей катодный узел, управляющий электрод. анод, фокусирующую систему иэ электродов одинакового диаметра и отклоняющую систему в виде цилиндра, разрезанного по образующим на четное число частей, фокусирующая система содержит четыре электрода, включая в качестве первого электрода анод, э в качестве последнего — отклоняющую систему в виде цилиндра. разрезанного нэ шесть одинаковых частей с зазорами между ними, причем длины электродов соответственно равны

II/D - 1,5 — 1,7: 12/О " 1; 1з/D = 2.5: 14/О

«1,5 — 2.0, расстояние между электродами равны $/D - 0,3 — 0.5. в середине третьего электрода установлена диафрагма диаметром d (4/D - 0,15 — 0,25. где D — внутренний диаметр электродов), Цель увеличения размера растра при сохранении его формы достигается и в способе формирования электростатического поля в отклоняющей системе с совмещенными центрами отклонений, состоящей из шести одинаковых электродов, расположенных по образующим цилиндра или конуса, путем подачи на пары электродов равных по величине и противоположных по знаку напряжений, в котором на пару электродов, расположенных справа и слева От электрода с напряжением +Чт, подают нас

1729247 пряжения (+ Чх + 1/2 Чт) соответственно, фокусировке, упрощает конструкцию пуша на пару электродов. расположенных ки,таккакабщееколичествоеезлектрадов,. справа и слева от электрода с напряжени- включая катод, равно шести, в то время как ем — Чу. — напряжения (+ Чх — 1/2 Vy) 5 у прототипа их как минимум семь. соответственно, где +Чу и «+Ч, — незави- На чертеже представлена зпектраннасимые напряжения, определяющие отклоне- оптическая система пушки а) сечение злектние пучка вдвух взаимно перпендикулярных . радов плоскостью вдоль продольной аси. 6) направлениях. поперечное сечение электродов.

Выполнение фокусирующе-отклоняю- 10 На чертеже приняты следующие обоэщей системы электронной пушки в виде начения: 1 — катод,2- упрэвлякицийэлект. четырех электродов с определенными гео- рад (цилиндр Венельта). 3 — анод, 4 метрическими параметрами, ограничиваю- анадное отверстие. 5-7 - электрод.- фокусищей пучок диафрагмой. установленной в рующе-аткланяющейсистемы,0- ограничисередине третьего электрода, при соответ- 15 ва ащая диафрагма. 9 — образец (пса .кость ствующих напряжениях на электродах по- фокусировки), 10, 10, 11, 11 и 12, 12 — три

l 1 зволяет получить на образце электронное пары одинаковых по размерам электродов, пятно меньшего, чем у прототипа. диамет- образующих отклоняющую систему 7, котора, а также большую плотность тока в пучке рая одновременно является последним по сравнению с прототипом (см. табл. !). 20 электродом фокусирующей системы.

Пределы изменения длины первого элект- ус ройство работает следующим обрарода 1,5 91>/О S 1,7 обеспечивают стыков- зам. ку предлагаемой фокусирующей системы с . Пучок электронов вытягивается из натокатодной линзой при варьировании ее гео- да разностью потенциалов между катодом 1 метрии (расстояний катод — управляющий 25 и анодам 3 и одновременно формируется с электрод — анод), При выходе за нижний помощью разности потенциалов между капредел изменения длины четвертого злект- тодом 1 и управляющим электродом 2 в сларода 14/О < 1.5 вознлкает искажение поля барасхадящийся пучок. Рабочая часть пучка из-за краевых эффектов, выход за верхний образуется за счет вырезания отверстия 4 в предел 1!/О > 2 увеличивает габариты сис- 30 аноде так. чтобы в пучке удовлетворялась темы. Выход за нижний передел расстоя- линейная зависимость между расстоянием ния между электродами S/D < 0.3 мажет ат аси и угловой расходимостью пучка. Дапривести к электрическому пробою, выход. лее пу <ак проходит последователь г, сЪстеза верхний предел S/D > 0,5 — к нежела- му цилиндрических электродов 2, 5, 6, 7 с тельному праникнацению в систему внеш- 35 ограничивающей диафрагмой 8. yet;»«!iiних полей. ленной в середине электрода 6, in фок сируПри выходе за нижний предел диаметра ется гл образце 9. Для осуществления диафрагмы cf/О < 0,15 существенна зареза-,сканирования пучком поверхнт>сти а p33етсятокэлектронного пучка:при выходеза ца 9 в двух взаимно перпендикулярных верхний предел — d/О > 0.25 велик размер 40 направлениях на каждую иэ трех пар злекпятна на образце. традав 10, 10, 11. 11 . 12, 12 падают апреВыполнение отклоняющей системы в деленные потенциалы, одинаковые по виде цилиндра. разрезанного па образую- величине и противоположные по знэку. При щим на шесть одинаковых частей с малымй этом на поверхности образца образуется зазорами между ними. позволяет путем 45 растр с малыми искажениями на краях. подачи на три пары противолежащих элект- В качестве примера были рассчитаны родов строго определенных напряжений . на 3ВМ параметры электронной пушки с сформировать электростатическое поле, од- диапазонам рабочих энергий 5 — 5000 зВ, народность которого на порядок лучше. чем формулирующей пятна, сканирующее наверху прототипа (см, табл. 2). 50 ность абразца. расположенного на рлсстая, 3lо обстоятельства обеспечивает высо-, нии д = 60 мм ат выходной границы пушки. кую линейность отклонения при предлагае-, Внутренний диаметр электродов О = 6 мм, мом способе формирования отклоняющего длины электродов II - 10 мм,. I. =- 6 мм, 13 поля и дает возможность примерно в 3-4 .-15 мм, 1 = 10 мм, величины зазоров межраза увеличить площадь растра по сравне- .55 ду электролами 51 = Sz " 2 мм. Si 3 мм, нию с прототипом при сохранении его фор- . диаметр ограничивающей диафрагмы dмы. -1 мм. Расчет вытягивающей системы (каСовмещение последним электродом тод — управляющий электрод — анод) провезлектронной пушки двух функций, а именно дена методом решения самосогласаванной отклонение пучка наряду с участием в его задачи, включающей расчет электростатического паля, и решения уравнений деиже172Ч247

- ния электронного пучка с учетом обьемного заряда. В результате выбраны оптимальные геометрические параметры вытягивающей системы, а также потенциалы на аноде VA - 75, 100 и 500 В при нулевом потенциале на катоде и у равляющем электроде, которые обеспечивают в плоскости анодной диафрагмы в пучке диаметром

0,5 им ток IA - 0,35, 0,88 и 4.30 мкА соответстмнно.

:Кроме того, в этой же плоскости рассчт4твны фаэовые характеристики, связывающие размер пучка с его угловой расходи мост ью.

Эти данные использованы в качестве начальных условий при расчете фокусирующей системы с указанной выше геометрией. В табл. 1 приведены результаты расчета потенциалов нз электродах V>, Vz.

Чз, V4, обеспечивающих указанные величины плотности тока на выходе диаметр пучка do и ток 4 на образце в широком диапазоне изменения рабочих энергий Е =:

5 — 5000 эВ.

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 MM. рассчитаны потенциалы, которые следует подавать на четвертый, разрезанный на шесть одинаковых частей, электрод диаметром 6 мм и длиной 10 мм.

В табл. 2 приведены результаты расчета велиЧин потенциалов 0>, LJ> Оз, отнесенные к ускоряющему потенциалу V4 подаваемых на три пары противолежащих электродов

10, 10, 11, 11 и 12, 12 (см, 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 ири этом

О.SQ. Это означает. что растр площадью

4х4 мм имеет форму, близкую к прямоугольной, так как нелинейность на краях не превышает 17,.

Проведенные расчеты показали. что предлагаемая электронная иушка с откло.нвнием пучка ио сравнению с ирототииом обеспечивает уменьшение размера злектронного пятна в 2-3 раза. повышение плотности тока пучка на порядок. уменьшение размера растра по плоЩади в 3-4 раза, При этом конструктивно предлагаемая пушкз

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

Изобретение может использоваться в ряде приборов, таких как дифрактометр медленных электронов, оже-спектрометр, 10 низковольтный растровый электронный микроскоп и т, д.

Формула изобретения

15 1. Электронная пушка с отклоняющей системой, содержащая катодный узел, управляющий электрод. фокусирующую систему из электродов одинакового диаметра, включающую анод в качестве первого элек20 трода и отклоняющую систему в виде цилиндра. разрезанного по образующей на четное числочастей,отличающаяся тем,что, с целью уменьшения размера электронного пятна. повышения плотности тока, увеличе25 ния размера растра при сохранении его формы. а также упрощения конструкции, фокусирующая система выполнена в виде четырех электродов с длинами первого - I > (см), второго — lz (см), третьего — 1з (cM), четверто30 ro — l4 (см) и внутренним диаметром 0 (см). выбранными в соответствии с условиями

I1/D = 1.5 + 1,7: Iz/О = 1: 1з/0 = 2,5; (4/О = 1.5+ 2,0. а третий электрод выполнен с диафрагмой в

35 середине с диаметром отверстия d (см)

d/О =- 0,15 + 0,25, причем последний электрод совмещен с отклоняющей системой и выполнен в виде цилиндра, разрезанного по образующей на

40 шесть одинаковых частей с зазором между ними.

2, Способ формирования электростатического поля в отклоняющей системе, выполненной в виде цилиндра или конуса, 45 разрезанного по образующей на шесть электродов, путем подачи на пары противоположных электродов равных ио величине и прогивоположных по знаку напряжений, отличающийся тем. что, с целью

50 увеличения размера растра при сохранении его формы, на пару электродов, смежных с электродом с напряжением+ Чу, подают напряжение + Vy+ 1/2 Vy. а на пару электродов, смежных с электродом с напряжением—

55 Vy. — напряжение и Ч, — 1/2 Ч„, где V> и

Vy — напряжения, определяющие отклонение электронного пучка по взаимно перпендикулярным направлениям.

1729247

Таблица е,эо - jf „vh1 vÿ v5 1 ц .1 потенциалы на электродах,B

MKA/MM2

Е о мкА

Система мм

Т а б л и ц а 2

По горизонтали

По вертикали

l2 м

1-я пара 2-я пара 3-я пара

1-я пара 3 я пары электроы

° мм 1 г в мм (+ ч < |ч4 и4/ч4 (U 4/v4 + О, /74

0,0064

0,0129

0 0193

0,0258

0,0074 0,0149

0i0223

0,0297

-0,0037

-0,0074

-0,0112

-0,0149

0,0037

0,оо74

0,0112

0,0149

2. 3

Я 4

A --Я, 1О.

Составитель Т. Лакомкина

Техред M. Моргентал Корректор В. Гирняк

Редактор Т. Иванова

Заказ 2379 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-Зб, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Предлага- 5 емая 10

400 !

Ооо

Прототип 50

500

25 10

50 30

23 50

95 100

142 400

254 1000

1750 2000

5 0,14

l0 0,18

50 0,64

100 2,8

4оо 3,4

1000 4,1

5000 5,3

0,07

0,07

0,07

1,2

0,6

0,15

0,14

О, 12

0,16

0,12

0 5

0,4

0,25

0,11

0,14

0,5

2,2

2;7

3,2

4,2

0,1

0,1

О,f

03

0,01