Brevet FR2134396A1 — publié le 19721208

La présente invention concerne un canon à électrons du type à émission à froid ou à effet de champ utilisable dans des microscopes électroniques du type à "balayage et à transmission. L'avantage d'un canon à électrons du type à émission à froid, 5 ou à effet de champ comparativement à un canon à électrons du type ordinaire à émission thermo-ionique, lorsqu'il est utilisé dans des microscopes électroniques, réside dans le fait que la densité de courant du faisceau d'électrons est très élevée et dans le fait que la source d'électrons est très petite. Tel étant le cas, le 10 canon à électrons du type à émission à froid ou à effet de champ, lorsqu'il est utilisé dans un microscope électronique du type à balayage, permet d'obtenir une meilleure résolution d'image que celle qu'il serait possible d'obtenir avec un canon à électrons du type à émission thermo-ionique. Ce type de canon permet 15 également d'obtenir, lorsqu'il est utilisé dans un microscope électronique du type à transmission, un contraste d'image meilleur que dans le cas d'un canon à électrons du type à émission thermoionique, par suite de la cohérence améliorée des faisceaux d'éLectrons. Cependant, en dépit des avantages susmenstionnés, le canon 20 à électrons du type à émission à froid ou analogue présente certains défauts, le plus important étant le fait que la densité de courant du faisceau d'électrons devient graduellement instable par suite de la contamination de la surface de l'émetteur et en raison également de la déformation de la pointe émettrice. 25 Plusieurs processus et moyens ont été envisagés pour combattre cette instabilité. Un procédé très connu, bien que peu praticable en raison des coûts élevés de fabrication et du prix élevé d'entretien, consiste à maintenir la chambre de canon à un degré de vide très élevé de l'ordre de 30 Torr. En opérant de cette façon la fonction d'émission locale de l'émetteur reste stable car on empêche la contamination de la surface dudit émetteur. Un autre procédé, peut-être plus praticable que le procédé 35 précédent, consiste à maintenir l'émetteur à une température élevée pendant l'émission à froid» En opérant de cette façon 72 14004 2 2134396 on empêche la contamination et le courant du faisceau d'électrons reste stable malgré le degré de vide relativement faible, le chauffage de l'émetteur cependant, comme décrit ci-dessus,a pour effet que la pointe émettrice devient molle 5 ce qui entraîne la formation graduelle de plans cristallins à la surface dudit émetteur. Cette formation cristalline, si on la laisse progresser, provoque une augmentation locale et irrégulière de l'intensité du champ électrique à la pointe émettrice ce qui entraîne une émission excessive et 10 un- endommagement éventuel à la pointe de l'émetteur. En conséquence l'un des buts de la présente invention est de contrôler ce que l'on appelle formation de cristaux à la surface de l'émetteur. Un second but de la présente invention est d'empêcher 15 le courant de faisceau d'électrons de devenir instable. Un troisième but de la présente invention est de reformer la pointe émettrice après une déformation dûe à une formation cristalline. Pour atteindre les buts susmentionnés le dispositif selon 20 la présente invention est caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens détecteurs pour détecter les fluctuations du courant du faisceau d'électrons et des moyens de commande pour commander le champ électrique en fonction du signal de sortie desdits moyens détecteurs. 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Dans les dessins annexés donné uniquement à titre d'exemple - les figures 1 (a) et 1 (b) représentent des courbes montrant la relation entre le courant d'émission et le temps 30 dans un canon à électrons du type à émission à froid ; - les figures 2 à 11 et la figure 13 sont des diagrammes-blocs de canons à électrons à émission à froid selon la présente invention ; - les figures 12 (a), 12 (b) et 12(c) sont des représen-35 tations schématiques de diverses pointes émettrices. les figures 1 (a) et 1 (b) sont des graphiques montrant la relation entre le courant de faisceau d'électrons et le Ht. 72 14004 2134396 temps cb;.;i3 ••.ex canon clapni'juo du type y émission à froid. L'-.ugment- 4"'.ov ;oro;Tnsrj:r.,n du courant du faisceau d'électrons roprt'sout ' à l- fi; air- • i (a) or •; dûo à La formation cristalline, :::aio, per alTaéuéiisseir. .nt lu c:_a::ip -'leetrique à la pointe à l1 instant 11 , i ' intensité .i- courant est réduite à sa val •'.•m'* initiale. ;..pr":3 *tro restée a cette valeur pendant un certain temps, 1 'intensité de courant décroît graduellement, comiîB représenté à la figure I (b) et est ramenée une fols de plus à sa voleur originale par augmentation du champ électrique. Ainsi, en coins-.aidant le champ électrique, on peut maintenir stable l'intensité du cOH.r-.iit du faisceau d'électrons. Lf figure ? montre lui mode de réalisation de la présente invention, -dans cette figure, un émetteur 1 fait de tungstène ou matériiu r..nalogue, est chauffé jusqu'à une température convenable, par exemple 1600°0, par application d'un courant venant d'une source de courant de chauffage 2. La référence 3 représente la première anode qui est maintenue à un potentiel positif par rapport à celui de l'émetteur grâce à une source de tension en courant continu variable 4. Une seconde anode 5 est reliée à la borne de sortie positive d'une source d'accélération 6 à tension élevée, ladite borne étant maintenue au potentiel de la masse. La borne de sortie négr.tive de la source 6 est reliée à l'émetteur 1 par l'intermédiaire d'un détecteur de courant d'émission 7 qui détecte tous les électrons émis p.ar ledit émetteur et les transforme en un signal électrique. Le signal de sortie délivré par le détecteur de courant d'émission 7 est appliqué à un circuit comparateur 3 où il est comparé avec un signal de référence venant d'un générateur de signal standart 9. Ensuite lo signal comparé est appliqué à la source de tension en courant continu variable } le potentiel de la première électrode 3 étant, de ce fait commandé de façon à maintenir le courant d'électrons constant. liii opérant de cette façon, même si la pointe émettrice est légèrement déformée par un champ électrique élevé, l'émetteur peut être utilisé pendant une longue durée, car le potentiel de la première électrode 3 décroît de façon à empêcher une mi) QfUC:M«.L 72 14004 4 2134396 augmentation du courant d'émission. Etant donné que les pointes émettrices n'ont pas nécessairement à être exactement identiques et étant donné que l'on obtient, àchaque instant, un courant de faisceau d'électrons constant, l'échange de l'émetteur ne 5 présente pas de problème. La figure 3 montre un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel le détecteur de courant d'émission7 est monté entre la source de tension en courant continu variable 4 et la première électrode 3. Dans ce montage l'arrivée des électrons 10 sur la première électrode 3 est détecté et étant donné que cette arrivée est proportionnelle à la sortie des électrons de l'émetteur, la fonction de commande de ce mode dgfcéalisation est exactement la même que celle du mode de réalisation représenté à la figure 2. 15 La figure 4 montre un troisième mode de réalisation de l'invention dans lequel on utilise un détecteur de faisceau d'électrons 10 disposé derrière la seconde anode 5 au lieu du détecteur de courant d'émission 7 décrit dans les modes de réalisation précédente. Dans ce cas le détecteur 10, constitué 20 Par un semi-conducteur, une simple plaquette conductrice électrique ou un convertisseur pour transformer le faisceau d'électrons en rayons lumineux ou en rayons X, lesdits rayons lumineux ou lesdits rayons X étant ensuite transformés en signal électrique. 25 La figure 5 montre un quatrième mode de réalisation de l'invention dans lequel une résistance est montée entre la source de tension en courant continu variable 4 et la première anode 3 de façon à commander automatiquement le champ électrique. La résistance 11 a deux fonctions, l'une consistant à détecter les 30 fluctuations du faisceau d'électrons et l'autre consistant à commander le champ électrique en fonction desdites fluctuations. Dans ce mode de réalisation la différence de potentiel entre l'émetteur et la première anode 3 est égale à la somme de la tension de sortie Vïï^&ela source 4 et de la tension aux# orne s 35 de la résistance 11 dont la polarité est opposée à celle de la tension de sortie V-g (volt). La raison en est que la tension aux bornes de la résistance 11 (R ohm) est déterminée par le bad ORIGINAL 72 14004 5 2134396 courant d'électrons le ( ampère) passant dans l'anode 3. En conséquence la tension ïn, = Vm - I, x R est appliquée 1 V entre l'émetteur 1 et l'anode 3- Dans ce cas si I augmente, décroît de façon à réduire le courant d'électrons en 5 affaiblissant le champ électrique. Inversement si I décroît, ^EA augmente ^-e faÇ°n à augmenter le oourant d'électrons en renforçant le champ électrique. Ainsi en utilisant ce mode de réalisation on améliore la stabilité du courant de faisceau d'électrons. Il en résulte qu'il ne se produit pas de fluctuations 10 de faisceau d'électrons dfes à l'écoulement du temps ou au changement d'émetteur. Si on utilise une résistance variable au lieu de la résistance fixe 11, on peut utiliser une simple source de tension constante au lieu de la source de tension variable 4, 1 5 car il -serait alors possible de faire varier la tension en faisant varier la résistance variable au lieu de faire varier la sortie de la source de tension 4. la figure 6 montre un cinquième mode de réalisation de l'invention dans lequel on obtient une tension par 20 division desrésistances 12 et 13 au lieu d'une source de tension 4. Dans ce cas la résistance 11 peut être omise sans affecter le fonctionnement du circuit0 la figure 7 montre un sixième mode de réalisation de l'invention dans lequel on utilise un élément à tension 25 constante 14» par exemple une diode de Zener, et une résistance 15 au lieu des résistances 12 et 13. La figure 8 montre un septième mode de réalisation de l'invention dans lequel la tension est obtenue par une résistance fixe 16 et une résistance variable 17 grâce auxquelles 30 le faisceau d'électrons passe de la première anode 3 à la seconde anode 7. La figure 9 montre un huitième mode de réalisation de l'invention dans lequel l'intensité du champ électrique entre l'émetteur et la première anode est commandé , de façon 35 intermittente, au moyen d'un interrupteur ou analogue 18 monté en parallèle avec la source de tension variable 4. Dans ce mode de réalisation, si le courant de faisceau d'électrons 72 14004 6 2134396 atteint une valeur donnée déterminée par le générateur de signal standard 9, la sortie résultante du circuit de comparaison 8 a pour effet de faire fonctionner l'interrupteur 18. En d'autres termes il passe de la position 5 d'ouverture à la position de fermeture ou vice versa. En opérant de cette façon le courant de faisceau d'électrons est maintenu dans les limites de la valeur donnée car la formation cristalline sur la surface de l'émetteur est empêchée. 10 le mode de réalisation représenté à la figure 10 est essentiellement le même que celui représenté à la figure 9 mais comporte un dispositif avertisseur 19 (par exemple un vibreur)qui est mis en fonctionnement lorsque le signal de sortie du circuit de comparaison 8 atteint une certaine 15 intensité. Dès que le vibreur émet des sons, Interrupteur ou analogue est actionné manuellement par l'opérateur. les divers modes de réalisation décrits jusqu'ici sont tous prévus pour empêcher la formation cristalline sur la surface de l'émetteur, les modes de réalisation décrits ci-après 20 sont expressément conçus pour reformer ou restaurerla pointe émettrice et la ramener à sa forme originale après déformation dûe à la formation c ristalline. la figure 11 montre un mode de réalisation capable de réaliser cette restauration. Sur cette figure la référence 20 25 représente un circuit de comparaison pour comparer la tension de sortie de la source de tension variable 4 et la tension de sortie du générateur de signal standard 21. La référence 22 désigne un dispositif avertisseur auquel est appliquéela sortie du circuit de comparaison et la référence 23 désigne un moyen 30 commutateur pour commander le potentiel de la première anode 3. Dans ce mode de réalisation la source de courant de chauffage 2 est prévue pour délivrer un courant de sortie capable de chauffer l'émetteur jusqu'à une température suffisamment élevée (par exemple 2000°C). 35 La figure 12 (a) montre la forme d'une pointe émettrice non utilisée et la figure 12 (b) montre le changement de forme de la pointe émettrice résultant de la formation cristalline. 72 14004 7 2134396 Ci cKnr los conditions représentées•à la figure 12 (b) i- /n-.zv ■'loctrlur- à .11 éniottvur est suffisamment affaibli et si l1 -tteur ■ et a/uffé à Un-~- température suffisamment élevée, ledit 1.t-"'Ur p-rat Être r'amené à sa forme originale, comme 5 r • : - ■ : •' à la figure 12 (e) par tension de surface thermique . L>-- circuit do comparaison 20 représente à la figure 11 est capable de contrôler la progression de la formation cristalline, car, lorsque cette formation progresse le champ électrique à la pointe émettrice devient plus intense ce qui a pour effet 10 que la tension de sortie de la source 4 décroit plus ou moins proportionnellement afin de maintenir le courant de faisceau d'électrons constant. Ainsi la- diminution de la tension de sortie de lo. source 4 entraîne une diminution correspondante de la sortie du circuit de comparaison 20, contrôlant 15 ainsi le progrès de la formation cristalline, ceci de façon précise. Lorsque la tension de sortie de la Source 4 devient inférieure à celle du générateur du signal standard 21, le circuit de comparaison 20 actionne le dispositif avertisseur 22 qui avertit l'opérateur qu'il doit désengager le commutateur 20 ou analogue 23. L'opérateur augmente ensuite, manuellement, le courant de sortie de la source de courant 2 de façon à augmenter la température de l'émetteur pour l'amener jusqu'à une température prédéterminée, restaurant ainsi la pointe émettrice à sa forme d'origine. 25 La figure 13 montre un mode de réalisation prévu pour restaurer automatiquement la pointe émettrice à sa forme d'origine. Ceci est rendu possible par le fait que l'on prévoit un circuit de temporisation 24 qui est actionné par le signal de sortie du circuit de comparaison 20. A l'état activé ledit 50 circuit de temporisation 24 engendre un signal, présentant un intervalle de temps constant, qui, à son tour, actionne à 11 oi'gane de commande 25 pour commander le commutateur ou analogue o pour qu'il reste désengage' pondant la génération du signal de temporisation. Simultanément ledit 55 signal de temporisation actionne la source de courant de chauffage de façon à augmenter la température de l'émetteur jusqu'à ce qu'il soit ramené à sa forme d'origine. bad original 72 14004 s 2134396 L'invention peut être appliquée à ce que l'on appelle un "canon à effet de champ à émission à froid" qui correspond aux modes de réalisation dans lequel les moyens chauffants sont omis, comme représenté aux figures à 10, afin d'empêcuer 5 les fluctuations de l'émission de cour'vnt dues à la contamination de la surface de l'émetteur. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend 10 tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendication qui suivent. bad original 72 14004 9 2134396 REVENDICATIONS 15 1. Canon à électrons du type à émission à froid ou à effet do champ , caractérisé en ce qu'il comporte, en combinaison, un émetteur de faisceau d'électrons, une première anode pour engendrer un fort champ électrique à l'endroit de l'émetteur, une source de tension pour engendrer une différence de potentiel 5 entre la première anode et l'émetteur, une seconde anode placée derrière la première anode et maintenue au potentiel de la masse, une source de tension élevée délivrant un potentiel négatif élevé à l'émetteur de façon à accélérer le faisceau d'électrons et des ^ q moyens détecteurs pour détecter ledit faisceau d'électrons de façon à obtenir une information concernant la commande de la tension de sortie de ladite source de tension. 2. Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens détecteurs précités comportent un circuit détecteur de courant placé entre l'émetteur et ladite source de tension élevée. 3. Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens détecteurs précités comportent un circuit détecteur de courant placé entre la première anode et la source de tension précitée» 4. Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens détecteurs précités comportent un organe détecteur placé sur la trajectoire du faisceau d'électrons traversant la seconde anode précitée. 5. Canon à électrons selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens comparateurs pour comparer le signal de sortie des moyens de détection précités" avec un signal.de référence donné et des moyens de commande pour commander la tension de sortie de ladite source de tension en fonction du signal de sortie desdits moyens comparateurs, 6. Canon à électrons selon 1a. revendication 5, caractérisé en ce que des moyens de commande précités comportent un organe commutateur relié en parallèle à la source de tension précitée, 20 25 50 72 14004 10 2134396 ledit organe commutateur étant commandé en fonction du signal de sortie desdits moyens comparateurs. 7. Canon à.électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens comparateurs pour comparer le signal de sortie desdits moyens de détection avec un signal de référence donné et des moyens avertisseurs pour indiquer un excès ou une déficience du courant du faisceau d'émission par rapport à un signal de référence donné, lesdits moyens avertisseurs étant commandés en fonction du signal de sortie desdits moyens comparateurs. 8. Canon à électrons selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens chauffants pour chauffer ledit émetteur et des moyens détecteurs pour détecter le changement de la tension de sortie de ladite source de tension afin d'obtenir une information concernant la progression de la formation cristalline à la surface de l'émetteur. 9. Canon à électrons selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens détecteurs précités comportent un circuit de comparaison pour comparer la tension de sortie de ladite source de tension avec un signal de référence donné. 10. Canon à électrons selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens avertisseurs pour indiquer l'état de la formation cristalline à la surface de l'émetteur, lesdits moyens avertisseurs étant commandés par le signal de sortie desdits moyens détecteurs. 11. Canon à électrons selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de commande pour commander les moyens chauffant précités en fonction du signal de sortie des moyens détecteurs afin de restaurer la pointe émettrice après une déformation due à la formation cristalline et la ramener à sa forme d'origine. 1 2. Canon à électrons selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de commande précités comportent un circuit de temporisation pour commander le temps pendant lequel l'émetteur est chauffé de façon à ramener la pointe émettrice, après une déformation due à la formation cristalline;, à sa forme d'origine» 72 14004 2134396 15. O-.aion. à électrons selon la revendication. 11 , caractérise on ce ax? * il ^omnorte on outre àcs moyens commutateurs montés entre 1' 'n--tet la. ^rer::i" r- anode, lesdits noyons commutateurs ''tant •?o:.r..:.:i.l .'s • r. for. .-tien ju signal do sortie dos ao;en3 a;j-eo'.(v.:2':: f 'r. 1 Ce.non à électrons lu type à émission à froid caractérisé on ce qu'il comporte, en combinaison, un émetteur de faisceau d'électrons, 11210 première anode pour engendrer un fort champ électrique à l'endroit do l'émetteur, mie source de tension pour engendrer lo différence de potentiel entre la première anode et l'émetteur, une seconde anode placée derrière la première et maintenue au potentiel do la masse, une source de tension élevée pour déli -or Lin potentiel négatif élevé à l'émetteur de façon à accélérei/Le faisceau d'électrons et mie résistance montée entre la remiere anode et ladite source de tension, la tension aux bornes de DacË.te résistance variant en fonction du faisceau d-électrons passant par la première électrode précitée de façon à maintenir ledit faisceau d'électrons constant. 15. Canon à électrons selon la revendication 14, caractérisé en ce que la source de tension précitée comporte des résistances de division montées entre la sortie de la source de tension élevée précitée et le potentiel de la masse. 16. Canon à électrons selon la revendication 14, caractérisé en ce que la source de tension précitée comporte un élément à tension constante monté en série avec une résistance, ledit élément et ladite résistance étant montés entre la sortie de la source de tension élevée précitée et le potentiel de la masse. 17. Canon à électrons selon la revendication 14, caractérisé en ce que la source de tension précitée comporte une résistance montée entre la première anode et le Dotentiel de la masse.