DE69605053T2

DE69605053T2 - Kanonenlinse zur Partikelstrahlerzeugung

Info

Publication number: DE69605053T2
Application number: DE69605053T
Authority: DE
Inventors: Juergen Frosien; Stefan Lanio; Gerald Schoenecker
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1996-12-24
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2016-12-25
Also published as: JPH10188868A; JP2004253395A; US5895919A; JP3558325B2; EP0851460A1; EP0851460B1; DE69605053D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodenlinse zur Erzeugung eines Korpuskularstrahles gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Kathodenlinse weist eine Kathode, eine Extraktionselektrode, eine Anode, sowie eine Kondensorlinse auf. Ferner ist die Erfindung auch auf ein Korpuskuslarstrahlgerät mit einer derartigen Kathodenlinse gerichtet.
Kathodenlinsen sind aus der Praxis in den verschiedensten Konstruktionen bekannt. A. Delong, J. Chmelik, V. Kolarik, J. Komurka, J. Ocadlik, "A new design of field emission electron gun with a magnetic lens", Optik Nr. 3, 1989, Seiten 104 bis 108, zeigt die in der Praxis eingesetzten Feldemissionsquellen mit teilweise überlagertem Magnetfeld.
Derartige Feldemissionsquellen werden bespielsweise in Korpuskularstrahlgeräten, insbesondere Elektronenstrahlmikroskopen eingesetzt. Man ist bisher davon ausgegangen, daß man die kleinsten sphärischen und chromatischen Aberrationen erhält, wenn man die Elektronen zunächst beschleunigt und erst kurz vor der Probe auf die Endenergie abbremst. Derartige Geräte haben sich in der Praxis bewährt. Es wurden auch Versuche unternommen, bei denen die Korpuskel bereits im Strahlerzeuger ihre Endenergie erhalten. Mit diesen Strahlerzeugern nimmt man jedoch relativ große Fehlerkoeffizienten in Kauf, die bei vielen Anwendungen nicht mehr tragbar sind.
Die GB-A-1 594 465 offenbart ein Elektronenstrahlgerät mit einem Elektronenstrahlerzeuger, der eine Kathode, eine Extraktionselektrode und zwei Anoden aufweist, wo bei zwischen den Anoden ein Beschleunigungsfeld angeordnet ist, das von einem durch eine Magnetlinse erzeugten Magnetfeld überlagert ist und wobei sich das Magnetfeld bis zur Kathode erstreckt.
Die JP-A-61 237 352 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Elektronenstrahlen, wobei ein Elektronenstrahl durch die unterschiedliche Spannung zwischen einer Kathode und einer Extraktionselektrode herausgezogen und dann durch eine Anode abgebremst wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kathodenlinse gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Korpuskularstrahlgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14 zur Erzeugung eines Korpuskularstrahls mit geringen Fehlerkoeffizienten und hoher Ortsauflösung anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Kombination der kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 14 gelöst.
Das überlagernde Magnetfeld zwingt den erzeugten Korpuskularstrahl auf Bahnen um die optische Achse, wodurch sich insbesondere Öffnungs- und Farbfehler verkleinern.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Anode auf Massepotential gelegt. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau eines Korpuskularstrahlgerätes wesentlich, da alle nachfolgenden Einrichtungen ebenfalls auf Massepotential liegen können.
Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden anhand der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Kathodenlinse gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Kathodenlinse gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Korpuskularstrahlgerätes mit einer Kathodenlinse gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
In Fig. 1 ist eine Kathodenlinse 1 zur Erzeugung eines Korpuskularstrahles dargestellt. Sie enthält im wesentlichen eine Kathode 2, eine Extraktionselektrode 3, eine Anode 4 und eine Kondensorlinse 5.
Die Kathode 2 ist wahlweise als Photokathode oder Feldemissionskathode ausgebildet. Sie wird mit einem Potential UK beaufschlagt. Die Extraktionselektrode 3 und die Anode 4 liegen ferner auf einem Potential UEx bzw. UAn.
Die Potentialbeaufschlagung zwischen Kathode, Extraktionselektrode und Anode wird dabei so gewählt, daß zwischen Extraktionselektrode 3 und Anode 4 ein Abbremsfeld erzeugt wird. Die an der Kathode 2 ausgelösten Korpuskel werden in diesem Abbremsfeld vorzugsweise auf eine Endernegie von weniger als 3 keV abgebremst.
Die Kondensorlinse 5 erzeugt ein Magnetfeld, das sowohl die Kathode 2, die Extraktionselektrode 3, als auch die Anode 4 überlagert. Eine axiale magnetische Feldverteilung ist beispielhaft in Fig. 1 angedeutet und mit dem Bezugszeichen 6 gekennzeichnet.
Die Kondensorlinse 5 besteht üblicherweise aus einem Eisenkreis 5a und einer Spule 5b. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kondensorlinse 5 als Einzelpollinse ausgebildet.
Insbesondere dann, wenn die Kathode 2 als thermische Feldemissionskathode ausgebildet ist, ist es besonders vorteilhaft, diese Kathode mit einer Supressor-Elektrode 7 zu überlagern. Diese Supressor-Elektrode 7 unterdrückt die nicht unmittelbar aus der Kathodenspitze austretenden Korpuskel. Korpuskel, die aus spitzenfernen Gebieten stammen, weiten die virtuelle Quellgröße auf und verringern dementsprechend den Richtstrahlwert.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Strahlerzeugerlinse 1' dargestellt, die sich vom Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 lediglich durch ein Element aus magnetischem Material 8 zur Beeinflussung des durch die Kondensorlinse erzeugten Magnetfeldes im Bereich der Kathode unterscheidet. Dieses Element 8 aus magnetischem Material ist zweckmäßigerweise zwischen Kathode 2 und Extraktionselektrode 3 angeordnet.
Das aus magnetischem Material bestehende Element 8 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 mit dem Eisenkreis 5a der Kondensorlinse 5 gekoppelt. Mit diesem magnetischen Element 8 kann das magnetische Feld der Kondensorlinse 5 gezielt im Bereich der Kathodenspitze beeinflußt werden.
Im Rahmen der Erfindung kann das magnetische Element 8 und die Extraktionselektrode 3 als ein Bauteil ausgebildet werden, das sowohl die Funktion der Extraktionselektrode als auch des magnetischen Elements übernimmt. Es wäre aber auch denkbar, daß das Element 8 die Extraktionselektrode 3 als Blendeneinsatz enthält, wobei beide Elektroden auf gleichem oder unterschiedlichem Potential liegen können.
In Fig. 3 ist ein Korpuskularstrahlgerät mit einer Kathodenlinse 1" und einer Strahlaustasteinrichtung 9 dargestellt.
Die Kathodenlinse 1" unterscheidet sich von der Kathodenlinse gemäß Fig. 2 wiederum nur durch ein Element 8' aus magnetischem Material, das das Magnetfeld der Kondensorlinse 5 beeinflußt. Das Element 8' ist hier nicht mit dem Eisenkreis 5a der Kondensorlinse 5 gekoppelt, sondern bildet vielmehr mit dem Eisenkreis 5a einen Luftspalt.
Indem die einzelnen Elektroden in der Kathodenlinse so beaufschlagt werden, daß die ausgelösten Korpuskel bereits im Strahlerzeuger auf ihre Endenergie abgebremst werden und zudem die Anode auf Massepotential gelegt wird, kann man alle nachfolgenden Bauteile des Korpuskularstrahlgerätes ebenfalls auf Masse legen. Nachdem der Korpuskularstrahl überlicherweise im Vakuum geführt wird, kann auf diese Weise auf die aufwendige Auskopplung der Hochspannung nachfolgender Bauteile verzichtet werden.
Neben anderen Blenden und Linsen weist das Korpuskularstrahlgerät insbesondere auch eine Strahlaustasteinrichtung 9 auf, mit der der auf eine Probe 10 auftreffende Korpuskularstrahl wahlweise ausgetastet werden kann. Für eine hohe Ortsauflösung im Bereich der Probe ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kathodenlinse eine Strahlüberkreuzung im Bereich der Strahl-austasteinrichtung 9 erzeugt.
Die Kathodenlinse wirkt somit zusätzlich auch als fokussierendes Element, in dem die virtuelle Strahlüberkreuzung des Strahlerzeugers in das optische System verlagert wird. Die fokale Länge bei gegebener Endenergie des Korpuskularstrahles wird durch das Postential der Exträktionselektrode 3 und die Anregung der Kondensorlinse 5 bestimmt. Um konstante Linseneigenschaften, d. h. eine konstante fokale Länge, zu erreichen, muß bei Änderung des Potentials UEx die Anregung der Kondensorlinse 5 entsprechend nachgestellt werden. Die Steuerung der Potentiale sowie die Anregung der Kondensorlinse wird über eine Steuereinheit 11 bewirkt, die nach einem vorgegebenen Programm arbeitet.
Bei einer Endenergie der Korpuskel von im Bereich von 200 eV bis 5 keV liegt die Spannung der Extraktionselektrode 3 zwischen 3 kV und 7 kV, wobei die Span nung im wesentlichen von der Geometrie der Quelle, dem Abstand der Extraktionselektrode 3 zum Emitter und dem Emissionsstrom abhängt. Eine typische Spannung der Supressor-Elektrode 7 liegt bei - 100 Volt und bei - 1 kV.
Die erfindungsgemäße Kathodenlinse 1, 1', 1" zeichnet sich durch hohe Richtstrahlwerte, geringe Fehlerkoeffizienten sowie eine hohe Ortsauflösung aus.

Claims

1. Kathodenlinse (1, 1', 1") zur Erzeugung eines Korpuskularstrahls mit

- einer Kathode (2),

- einer Extraktionselektrode (3),

- einer Anode (4)

- sowie einer Kondensorlinse (5), die ein Magnetfeld (6) erzeugt, das sowohl die Kathode (2), die Extraktionselektrode (3), als auch die Anode (4) überlagert,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Extraktionselektrode (3) und Anode (4) ein Abbremsfeld erzeugt wird.

2. Kathodenlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (4) auf Massepotential liegt.

3. Kathodenlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Kathode (2) ausgelösten Korpuskel im Abbremsfeld zwischen Extraktionselektrode (3) und Anode (4) auf eine Endenergie von weniger als 3 keV abgebremst werden.

4. Kathodenlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensorlinse (5) als Einzelpollinse ausgebildet ist.

5. Kathodenlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (2) durch eine Feldemissionskathode gebildet wird.

6. Kathodenlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (2) durch eine thermische Feldemissionskathode gebildet wird, der eine Supressor-Elektrode (7) überlagert ist.

7. Kathodenlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (2) durch eine Photokathode gebildet wird.

8. Kathodenlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Element (8, 8') aus magnetischem Material zur Beeinflussung des durch die Kondensorlinse (5) erzeugten Magnetfeldes im Bereich der Kathode vorgesehen ist.

9. Kathodenlinse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensorlinse (5) einen Eisenkreis (5a) aufweist, der mit dem Element (8) aus magnetischem Material gekoppelt ist.

10. Kathodenlinse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensorlinse (5) einen Eisenkreis (5a) aufweist, der mit dem Element (8) aus magnetischem Material einen Luftspalt bildet.

11. Kathodenlinse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (8, 8') aus magnetischem Material zwischen Kathode (2) und Extraktionselektrode (3) angeordnet ist.

12. Kathodenlinse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (8) aus magnetischem Material durch die Extraktionselektrode (3) gebildet wird.

13. Kathodenlinse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (8) aus magnetischem Material im Bereich der Extraktionselektrode (3) angeordnet ist.

14. Korpuskularstrahlgerät mit

a) einer Kathodenlinse nach Anspruch 1 und

b) einer Strahlaustasteinrichtung (9) zum Austasten des Korpuskularstrahles.

15. Korpuskularstrahlgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenlinse (1, 1', 1") eine Strahlüberkreuzung erzeugt, deren Position in der Strahlaustasteinrichtung (9) liegt.