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

СОЮЗ СОВЕ ТСКИХСО 11 ИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК9) н 247 5)5 Н 01 1 29 РЕТЕНИ ИСАНИ ТЕЛЬСТВУ ВТОРСКОМУ СВ Изобретение атнооптическим системам.мам формирования эсканирования им павпредназначается дляракции медленных этакже оже.спектроска. тронной мико сится к электронное частности к систелектронного пучка и ерхности образца и целей методики дифлектроное (ДМЭ), а пии и растровой элек. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Специальное конструкторское бюро физико-технического института им. А.ф Иоффеи Физико-технический институт им. А.ф, Иоффе(72) Т,Я. Фишкова, А,А, Шапоренко, Л.П, Овсянникова, С.В, Пасовец, Г;А. Вязьменова иР П, Фидельская(56) Нап 1 пд Е. Веад Р. 1 ч. Еесйгозта 11 с 1 епзезАп) зтегбап) - ОхГогд - й. У., 1976, р. 111-15,1,1 ода 11 у М. 0 Маг 11 п,1, А, Аппаратура дляисследования дифракции медленных электронов, Обзор в Веч 1 еа Зс 1 епт 01 с 1 пз 1 гц-(54) ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА С ОТКЛОНЯЮЩЕЙ СИСТЕМОЙ И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ВОТКЛОНЯЮЩЕЙ СИСТЕМЕ(57) Изобретение относится к электроннооптйческим системам, в частности к системам формирования электронного пучка исканирования им поверхности образца.Изобретение предназначается для целейметодики дифракции медленных электронов, а также оже-спектроскопии и растровой электронной микроскопии. Цельизобретения - 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 геометрическимиразмерами, связанными определеннымисоотношениями, Первым электродом фокусирующей системы является анод, последним - отклоняющая система в видецилиндра, разрезанного по образующей нашесть частей. Третий электрод снабжен диафрагмой. Приводятся соотношения гео- Бметрических размеров электродов. Приработе пушки на пары противоположныхэлектродов подаются равные по абсолютной величине и противоположные по знакунапряжения, 2 табл, 1 ил,ОЬЭ Известна электронная пушка для исслдования 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 эВ б "2 мм) и малый ток электронного печк(при ЕэВ - 0,2 - О,З мкА, при Е: 1 О эВ0,01 мкА),Известна трехэлектродная. фокусирующая система иэ цилиндрических электродов, обеспечивающая фокусировку пучка 5с различной энергией в одном и том жеместе.Недостатком этой системы является узкий диапазон энергий (один-два порядка),при котором пучок фокусируется на обьект. 10Известно устройство, содержащееэлектронную пушку, электростатическуюлинзу, отклоняющую систему с восемью коническими электродами, установленнымивокруг пучка на малом расстоянии друг от 15друга и электрически изолированными сцелью 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-эанеобходимости подачи на каждый электродопределенного потенциала.Известен способ Формирования электростатического ноля в отклоняющей системе с совмещенными центрами отклонения,состоящей из 12-и электродов. расположенных на образующей цилиндра, путемподачи основных и дополнительных отклоняющих напряжений на каждую пару противолежащих электродов,Недостатком такого способа являетсясложная схема питания из-эанеобходимости обеспечить 12 различных по величине 35напряжений.Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является электроннаяпушка, содержащая катодный узел, управляющий.электрод, анод, фокусирующую систему из трех цилиндрических электродоводинакового диаметра и отклоняющую вдвух взаимно перпейдикулярных направлениях электростатическую систему.. К недостаткам такой электронной пушки относятся большой размер элек гронногопятна на образце (при энергии Е100 эВдиаметр пучка б 0,3 - 0.2 мл, а при Е 50 эВб ) 1 мм), малая плотность тока в пучкеЦ,07 мкА/мм при Е100 эВ, так как ток 50на выходе пушки равен 0,1 мкА при диаметре апертуры 0,052 дюйма), сложная конструкция, включающая по крайней мерешесть электродов для формирования и фокусировкиэлектронного, пучка, а также 5две пары последовательно расположенныхОтклоняющих пластин.Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ формирования электростатического поля вотклоняющей системе с совмещеннымицентрами отклонения, состоящей из одинаковых электродов, расположенных пообразующим цилиндра путем подачи напары электродов равных по величине и противоположных по знаку напряжений, Способ состоит в подаче на две парыодинаксвых по размеру противолежащихэлектродов, 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 "1070,что не позволяет получить достаточно большой размер растра без.искажения его формы на 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 вэлектронной пушке с отклоняющей системой, содержащей катодный узел, управляющий электрод. анод, фокусирующуюсистему иэ электродов одинакового диаметра и отклоняющую систему в виде цилиндра,разрезанного по образующим на четноечисло частей, фокусирующая система содержит четыре электрода, включая в качествепервого электрода анод, а в качестве последнего - отклоняющую систему в видецилиндра. разрезанного на шесть одинаковых частей с зазорами между ними, причемдлины электродов соответственно равны1/О 1,5 - 1,7; 12/О - 1; 1 Э/О = 2,5: 14/О1,5 - 2.0, расстояние между электродамиравны Я/О " 0,3 - 0.5. в середине третьегоэлектрода установлена диафрагма диаметром б (б/О - 0,15 - 0,25, где О - внутреннийдиаметр электродов),Цель увеличения размера растра присохранении его формы достигается и в способе Формирования электростатическогополя в отклоняющей системе с совмещенными центрами отклонений, состоящей изшести одинаковых электродов, располо 5 женных по образующим цилиндра или конуса, путем подачи на пары электродовравных по величине и противоположных познаку напряжений, в котором на пару электродов, расположенных справа и слева отэлектрода с напряжением ФЧТ, подают на.спряжения (+ Чх ф 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 какем - Чу, - напряжения (+ Чх - 1/2Чу) 5 у прототипа их как минимум семь.соответственно, где +Чу и +Ч, - незави- На чертеже представлена эпектраннасимые напряжения, определяющие отклоне- оптическая система пушки а) сечение электние пучка в двух взаимно перпендикулярных, радов плоскостью вдаль продольной аси. б)направлениях. поперечное сечение электродов,Выполнение фокусирующе-отклоняю На чертеже приняты следующие обоэщей системы электронной пушки в виде начения: 1 - катод,2- упрэвляющийэлектчетырех электродов с определенными гео- рад (цилиндр Венельта). 3 - анод, 4метрическими параметрами, ограничиваю- анадное отверстие. 5-7 электроды фокусищей пучок диафрагмой. установленной в рующе-аткланяющейсистемы,й-ограничисередине третьего электрода, при соответ ваащая лиафрагмэ. 9 - образец (гваскастьствующих напряжениях на электродах по- фокусировки), 10, 10, 11, 1 и 12, 12 - тризволяет 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 последнимпо сравнению с прототипом (см. табл. ). 20 электродом фокусирующей системы.Пределы изменения длины первого элект- Устройство работает следующим обрарода 1,5 1/О 5 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 1метрии (расстояний катод - управляющий 25 и анодам 3 и одновременно формируется сэлектрод - анод), При выходе за нижний помощью разности потенциалов между капредел изменения длины четвертого элект- тодом 1 и управляющим электродом 2 в сларода 1 д/О1.5 возникает искажение поля барасхадящийся пучок. Рабочая часть пучкаиз-за краевых эффектов, выход за верхний образуется за счет вырезания отверстия 4 впредел 1 т/О2 увеличивает габариты сис- ЗО аноде так. чтобы в пучке удовлетворяласьтемы, Выход за нижний передел расстоя- линейная зависимость между расстояниемния между электродами Я/О0.3 мажет ат аси и угловой расходимостью пучка. Дапривести к электрическому пробою, выход. лее пучок проходит последовательо сЪстеза верхний предел 5/О0,5 - к нежела- му цилиндрических электродов 2, 5, 6, 7 стельному проникновению в систему внеш ограничивающей диафрагмой 8. устанавних полей. ленной в серели-е электрола 6, и Рок сируПри выходе эа нижний предел диаметра ется ггл образце 9. Для осуществлениядиафрагмы т/О0,15 существенна зареза.,сканирования пучком поверхности образется ток электронного пучка: при выходе за. ца 9 в лвух взаимно перпендикулярныхверхний предел - б/О0.25 велик размер 40 направлениях на каждую иэ трех пар злекпятна на образце, традав О, 10, 11. 11, 12, 12 падают апреВыполнение отклоняющей системы в деленные потенциалы, одинаковые повиде цилиндра. разрезанного па образую- величине и противоположные по знэку, Прищим на шесть одинаковых частей с малымй этом на поверхности образца образуетсязазорами между ними. позволяет путем 45 растр с малыми искажениями на краях,подачи на три пары противолежащих элект- В качестве примера были рассчитаныродов строго опререленных напряжений . на ЭВМ параметры электронной пушки ссформировать электростатическое поле, од-диапазонам рабочих энергий 5 - 5000 эВ,народность которого на порядок лучше. чем формирующей пятна, сканирующее наверху прототипа (см, табл. 2), 50 ность абразца. расположенного на рлсстая, Это 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 1- 10 мм,= 6 мм, 1 зполя и дает возможность примерно в 3-4 -15 мм, 14 = 10 мм, величины зазоров межраза увеличить площадь растра по сравне ду электролами Я = 52 - 2 мм. 5 3 мм,нию с прототипом при сохранении его фор- . диаметр ограничивающей диафрагмы бмы. -1 мм. Расчет вытягивающей системы (каСовмещение последним электродом тад - управляющий электрод - анод) провезлектронной пушки двух функций, а именно дена методом решения самосогласаваннойотклонение пучка наряду с участием в его задачи, включающей расчет электростатического поля, и решения уравнений леиже. ния электронного пучка с учетом обьемного заряда. В результате выбраны оптимальные геометрические параметрывытягивающей системы, а также потенциалы на аноде ЧА -75, 100 и 500 В при нулевомпотенциале на катоде и управляющем электроде, которые обеспечивают в плоскостианодной диафрагмы в пучке диаметром0,5 им ток 1 д" 0,35, 0,88 и 4,30 мкА соответставно.Кроме того, в этой же плоскости рассчитаны фаэовые характеристики, связывающие размер пучка с его угловойрасходи мост ью,Эти данные использованы в качественачальных условий при расчете фокусирующей системы с указанной выше геометрией, В табл. 1 приведены результатырасчета потенциалов нз электродах Чь, Ч 2,Чз, Ч 4, обеспечивающих указанные величины плотности тока на выходе диаметрпучка бо и ток 1 о на образце в широкомдиапазоне изменения рабочих энергий Е =:5 - 5000 эВ.Пропорциональное изменение размеров электродов не меняет величин фокусирующих потенциалов и плотности тока навыходе системы. При этом в первом приближении размер пятна на образце меняетсялинейно относительно коэффициента подо.бия размеров, а величина тока на образце -по квадратичному закону,Для обеспечения сканирования электронным пучком поверхности образца, расположенного на расстоянии 60 мм. рассчитаныпотенциалы,которые следует подавать начетвертый, разрезанный на шесть одинаковых частей, электрод диаметром б мм и длиной 10 мм.В табл. 2 приведены результаты расчетавелиЧин потенциалов 0, Ор, Оз, отнесенныек ускоряющему потенциалу Чл, подаваемыхна три пары противолежащих электродов10, 10, 11, 11 и 12, 12 (см, фиг. 1). Указанные потенциалы обеспечивают отклонениепучка на образце величиной 3 = + (1-4) мм.При указанных в табл, 2 максимальныхвеличинах потенциалов пучок в отклоняющей системе занимает + 1 мм, т. е, 0,3 ееапертуры, Неоднородность поля ири этом0,8. Это означает. что растр площадью4 х 4 мм имеет формулу, близкую к прямоугольной, так как нелинейность на краяхне превышает 1 ф,Проведенные расчеты показали, чтопредлагаемая электронная иушка с откло.нвнием пучка ио сравнению с ирототииомобеспечивает 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 вряде приборов, таких как дифрактометр медленных электронов, оже-спектрометр, 10 низковольтный растровый электронныймикроскоп и т, д.Формула изобретения15 1. Электронная пушка с отклоняющейсистемой, содержащая катодный узел, управляющий электрод. фокусирующую систему из электродов одинакового диаметра,включающую анод в качестве первого элек 20 трода и отклоняющую систему в виде цилиндра, разрезанного по образующей на четноечислочастей. от л ича юща я с я тем, что,с целью уменьшения размера электронногопятна, повышения плотности тока, увеличе 25 ния размера растра при сохранении его формы, а также упрощения конструкции,фокусирующая система выполнена в виде четырех электродов с длинами первого -1 (см).второго - 1 г (см), третьего - 1 з(см). четверто 30 го - И (см) и внутренним диаметром О (см).выбранными в соответствии с условиями1/О = 1.5 + 1,7: 1 г/О = 1: 1 з/О = 2,5;14/О = 1.5 + 2,0.а третий электрод выполнен с диафрагмой в35 середине с диаметром отверстия б (см)б/О =- 0,15+ 0,25,причем последний электрод совмещен с отклоняющей системой и выполнен в виде цилиндра, разрезанного по образующей на40 шесть одинаковых частей с зазором междуними,2, Способ формирования электростатического поля в отклоняющей системе, вы.полненной в виде цилиндра или конуса,45 разрезанного по образующей на шестьэлектродов, путем подачи на пары противоположных электродов равных ио величинеи прогивоположных по знаку напряжений,о т л и ч а ю щ и й с я тем. что, с целью50 увеличения размера растра при сохраненииего формы, на пару электродов, смежных сэлектродом с напряжением+ Чу, подают напряжение + Чу+ 1/2 Чу, а на пару электро.дов, смежных с электродом с напряжением -55 Ч. - напряжение й Ч, - 1/2 Ч, где Чх иЧ - напряжения, определяющие отклонение электронного пучка по взаимно перпендикулярным направлениям.,эВ .Ч= Чд, Ч Ч,Ч потенциалы на электродах,о мкА/мм 2 Еофмнй Система мм Т а б л и ц а 2 По горизонтали По вертикалиг 12 и 1-я пара 2 тя пара Зтя пара 1 тя пара 3 я пары электро" ы т е 1 т т т т т т т т т т т т т т 6ты ттБ, мм ) +О/Ч и/Уф ОУ 4+ И,/Ч 0,0064 0,0129 0,093 0,0258 0,00740,0149 0,0223 0,0297 тО,ОО 37 т 0,0074 т 0,0112 т 0,0149 0,0037 0,0074 0,0112 0,0149 Ко оставитель Т. Лакомкинхред М.Моргентал рректор В. Гирн еда кто ва Заказ 2379 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям и 113035, Москва. Ж-Зб, Раушская наб 4/5 ГКНТ ССС роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 Предлагаемая 10501004 ооОоо5000Прототип 501 ОО500оо10 75 100 100 500 500 500 500 25 10 5 о зо 23 50 95 100 142 400 254 1000 1750 2000 5 0,14 10 0,18 50 0,64 100 2,8 400 3,4 1000 4, 5000 5,30,07 0,07 0,07 1,2 0,6 о,5 0,14 0,12 о,б 0,12 0,5 0,4 0,251д 2 О, 11 о,4 0,5 2,2 2;7 3 у 2 4,2 0,1 О, О, 0,30,0