Brevet FR2527383A1 — publié le 19831125

L'invention concerne les canons à électrons, qui servent notamment dans les microscopes électroniques de tous types. D'une manière générale, ces canons à électrons comprennent une cathode à émission de champ, des organes de focalisation et des organes accélérateurs comoortant au moins une anode portée à un potentiel choisi. Le brevet britannique 1 291 221, propose une focalisation par lentille magnétique, qu'il semble diffi- cile d'utiliser aux fortes valeurs de la tension d'accé- lération. En fait, les canons à émission de champ actuels sont à focalisation électrostatique, avec les inconvénients d'aberration que cela comporte. La présente invention vient apporter une solution plus satisfaisante avec des lentilles magnéti- ques. Dans la solution proposée, la lentille magné- tique, qui est définie par un bobinage, un circuit magnétique et une pièce polaire en deux parties, à entrefer, disposées coaxialement à la bobine du côté de la cathode à émission de champ, et offrant deux orifices axiaux, est portée au potentiel extracteur des électrons; l'orifice d'entrée des électrons, le plus proche de la cathode, possède un diamètre inférieur à celui de l'orifice de sortie, ces diamètres étant tous deux inférieurs à environ 10 mm; l'entrefer entre les deux parties de la pièce polaire est, selon l'axe de la bobine, inférieur à 3 mm environ; et la distance entre le plan médian de cet entrefer et l'extrémité proximale de la cathode est inférieure à 5 mm environ. En pratique, il est souhaitable que l'orifice d'entrée possède un diamètre inférieur à 4 mm, de pré- férence compris entre 0,5 et 3,5 mm, et l'orifice de -2- sortie possède un diamètre compris dans un intervalle qui fasse de 3 à 8 mm environ, ou mieux de 4 à 6 mm. De son côté, l'entrefer est au plus égal à 1,5 mm environ Et la distance entre le plan médian de l'entrefer et l'extrémité proximale de la cathode est avantageusement comprise entre 1,5 et 3 min. Selon une autre caractéristique de l'invention, intéressante à ajouter aux caractéristiques précédentes, on prévoit une électrode intermédiaire qui entoure au moins la lentille magnétique tout en laissant passer les électrons sur l'axe de celle-ci, et le point image donné de la cathode par la lentille magnétique se place sensi- blement au niveau de l'ouverture de l'électrode inter- médiaire, du côté de la lentille magnétique qui est opposé à la cathode Il est très avantageux aussi que l'électrode intermédiaire entoure également la cathode de façon pratiquement complète, et l'alimentation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, ainsi que sur les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 illustre'schématiquement sous forme d'une vue en coupe axiale la structure générale d'un canon à électrons avec focalisation magnétique; la figure 2 illustre plus en détail les éléments essentiels du canon à électrons selon l'invention, à savoir sa cathode à émission de champ et sa lentille de focalisation ainsi qu'une électrode auxiliaire, et ce dans le mode de réalisation préférentiel de l'invention; et la figure 3 illustre plus en détail la coopération de la pièce polaire 60 de la lentille magnétique avec la cathode à émission de champ 20. Sur la figure 1, on distingue en partie supé- rieure un flasque 1, qui est surmonté d'un couvercle 3 formant un réservoir à hexafluorure de soufre, milieu -3- utilisé préférentiellement en ambiance de haute tension. Le réservoir et b flasque sont percés axialement par un manchon support 4, qui est par exemple en PLEXIGLAS, et peut contenir des câbles d'alimentation électrique vers l'intérieur des dispositifs. Au-dessous du flasque 1, une enceinte 6, doublée intérieurement par un blindage en mumétal 5 définit le logementpour la cathode à émission de champ et ses organes de focalisation L'enceinte 6 est percée d'un large orifice 7, qui permet sa relation avec un organe générateur de vide très poussé, par exemple une pompe ionique avec sublimation de titane. Intérieurement donc, le manchon 24 est entouré d'une gaine isolante en alumine 25, qui ne va que jusqu'à l'intérieur du réservoir 3 La gaine 25 forme "passage haute tension" et réalise en même temps l'étanchéité au vide Le passage haute tension 25 sert de support (fig 2) tout d'abord à la cathode à émission de champ 20, dont le filament actif est noté 21, ensuite à la lentille magné- tique 50, et enfin à une électrode intermédiaire péri Dhé- rique 70 qui entoure cet ensemble. Les électrons ainsi produits vont sortir ver- ticalement en direction du bas, et atteindre l'anode 80 (fig 1). En dessous, par l'intermédiaire d'un dispositif de cales 8 est maintenu un support de fixation 9, qui retient d'une manière ajustable en position en particulier par des vis 15,un ensemble condenseur formé d'une première bobine de condenseur 11, suivie d'une seconde bobine de condenseur 12, après quoi un dispositif 16 permet de former diaphragme ajustable Cet ensemble est entouré d'un blindage 14. La structure des éléments formant condenseur est considérée comme connue de l'homme de ltart et ne sera pas décrite plus en détail. 2527383. -4- On se référera maintenant à la figure 2, o l'on retrouve le manchon de PLEXIGLAS 24 entouré par le passage haute tension 25. Le passage haute tension 25 se prolonge en péri- phérie par une bague mince 32, à laquelle se trouve sus- pendu un dispositif 30, annulaire, de forme un peu com- plexe, car il sert de support à son tour à toutes les parties électriques Par ailleurs, la pièce 30 comporte une bague 31, qui sert de guidage en rotation pour l'in- troduction du manchon 24 et l'établissement des contacts électriques. Intérieurement, la pièce annulaire 30 soutient par l'intermédiaire d'une suspension élastique une autre bague interne 41, qui supporte un disque isolant 45, étan- che au vide, et servant à son tour à la suspension de la cathode 20, par l'intermédiaire des organes de traversée électrique tels que 43 et 44 Ce disque 45 se trouve en regard d'un disque homologue 26, placé en partie basse dans le manchon de PLEXIGLAS 24, dont il reçoit les dif- f-érentes traversées électriques, telles que 40. La cathode se compose elle-même d'une embase support 27, en matière isolante telle que de l'alumine. Cette embase 27 est à son tour munie de traver- sées électriques, dont on voit un exemple en 28 Cette traversée sert à des fins d'alimentation auxiliaire, ainsi que pour assurer une meilleure suspension de l'embase 27. Des traversées du même genre, mais placées dans un plan perpendiculaire à la figure supportent le filament de ca- thode 20, dont la forme est mieux illustrée sur la figure 3, qui est une coupe dans le plan perpendiculaire à la figure 2. On notera que des vis telles que 42 permettent le déplacement de l'ensemble de la cathode par rapport au sup- port, ce qui permet d'ajuster précisément la position du filament de cathode 20, ce qui peut se faire même en fonc- tionnement, par l'intermédiaire de tiges en Téflon telles que celle qui est illustrée en 23 sur la figure 1. -5- En second lieu, la pièce 30 supporte une autre bague 33, qui à son tour reçoit par fixation inférieure à l'aide de vis telles que 35 un cylindre 34 en alumine, percé d'orifices tels que 36 En partie basse, ce cylin- dre reçoit en 37 l'ensemble du dispositif de focalisation magnétique Cet ensemble comprend, en dessous d'une plaque métallique 39, des circuits magnétiques 53, qui logent intérieurement un bobinage 51, dans une carcasse étanche 52 De manière connue, le circuit magné- tique est interrompu du côté de l'axe de la bobine 51, là o arrive le filament de cathode 20 A ce niveau, le circuit magnétique est défini par une pièce polaire, constituée en fait de deux parties notées 61 et 62, et maintenue en position relative par une entretoise 63, cet ensemble apparaissant de façon plus détaillée sur la figure 3. Sur la figure 2, on notera également que la traversée électrique 40 permet l'alimentation de la bobine, ainsi que l'amenée de la haute tension sur l'ensemble du dispositif de bobine, l'un des fils allant vers la vis de fixation 38, tandis que l'autre va direc- tement vers le bobinage 51. La pièce 33 comporte encore un épaulement radial vers l'extérieur noté 33 A, qui sert de support à une électrode intermédiaire désignée généralement par Cette électrode est en fait en deux parties 71 et 72, qui sont maintenues en place par vissage l'une sur l'autre, tout en enserrant l'épaulement 33 A La pièce inférieure 71 est munie en partie basse d'un orifice 73 qui vient se placer sur l'axe de la bobine. Si l'on se reporte maintenant à la figure 3, on voit que, selon l'une des caractéristiques importantes de l'invention, la pièce polaire 60 est dissymétrique. En effet, elle comporté un pôle supérieur 61 qui est percé d'un trou 610 dont le diamètre varie d'environ -6- 1,5 à 3 mm de préférence Cependant, des valeurs plus importantes peuvent être envi sagées dans certains cas, comme on l'a déjà indiqué Le pôle supérieur 61 est fretté au pole inférieur 62 par l'intermédiaire d'une bague en titane 63, et le diamètre du trou 620 du pôle inférieur est de l'ordre de 5 ru Comme précédemment indiqué, des valeurs un peu différentes peuvent être envisagées. Enfin, la valeur de l'entrefer est de l'ordre du millimètre L'entrefer se mesure ici entre le plan inférieur du pôle supérieu-r 61 et le plan supérieur du pôle inférieur 62, On notera également le trait d'axe 65 qui définit le plan médian de la pièce polaire, cu de l'entrefer. En pratique, le pôle supérieur 61 ou premièere partie de la pièce polaire comporte supérieurement un évidement concave tronconique 611 qui se raccorde avec l'orifice 610, et permet l'introduction du filament de cathode 20 le plus près possible de l'orifice (Le filament de cathode est considérablement agrandi par rapport à la taille de la pièce polaire). En partie basse, le pôle supérieur 61 comporte un plateau 612, qui s'étend radialement perpendiculaire- ment à l'axe, et entoure l'orifice 610 Ce plateau 612 est suivi consécutivement de deux décrochements 613 et 614 qui sont également plats, mais se placent en retrait par rapport à l'autre pole 62, et sont raccordés entre eux par une zone cylindrique axiale qui sert d'appui à la bague 63. De son côté, le second pôle 62 comporte lui aussi un plateau 621 qui s'étend radialement perpendi- culairement à l'axe et entoure l'orifice 620 Ce plateau est suivi d'une zone en décrochement 622 qui se termine encore une fois par un épaulement assurant le placement de la bague de titane 63. 22 _ 7383 -7- Il est souhaitable d'utiliser la lentille magnétique en focale courte, ce qui implique que l'ex- trémité proximale 22 de la partie axiale 21 du filament de cathode 20 soit placée à une distance d'environ 1,5 à 3 mm du plan médian 63 de l'entrefer de la lentille magnétique. La présente invention permet d'obtenir de faibles valeurs des coefficients d'aberrations sphérique Cs et chromatique Cc, à savoir de l'ordre de quelques millimètres On a pu obtenir par exemple un coefficient Cs de 3 mm et un coefficient Cc de 1,8 mm. Il en résulte la possibilité d'obtenir un courant de sonde électronique beaucoup plus important, compte tenu de la diaphragmation Le courant de sonde électronique est au minimum 4 fois plus important que ceux que l'on obtient avec les canons à émission de champ et lentille électrostatique actuellement en service, et ceci pour des sondes de diamètre supérieur à environ ranomètres. Les performances pratiques d'un canon déjà réalisé sont les suivantes: très grande brillance: 108 A cm-2 pour une tension d'accélération de 100 k V. fort courant de faisceau, à savoir jusqu'à 10 6 A dans une sonde de 200 nm. ultra vide, qui permet une pression inférieure à 1 o-10 Torr. tension d'accélération jusqu'à 120 k V sur un seul étage. La disposition proposée selon la présente invention possède en outre l'avantage d'obtenir a priori une bonne stabilité du point de focalisation aval dans la lentille, c'est-à-dire de la source électronique image, qui est donnée de la cathode par la lentille magnétique. -8 - De préférence, on prévoit l'électrode inter- médiaire 70 déjà citée, qui est placée immédiatement après la lentille magnétique, et vient définir en 73 un orifice sur l'axe de celle-ci En excitant la bobine de façon que le point de focalisation aval se place au niveau de cet orifice 73 ou près de celui-ci, on augmente encore considérablement la stabilité de la position de la source électronique d'image Si par exemple la tension d'accélération finale est notée V. et la tension d'extraction des électrons est VO, le rapport de tension V/V O peut varier de 4 à 50 sans que la position de la source électronique image ne varie plus que de 5 mm le long de l'axe optique. Par ailleurs, en faisant remonter, comme indiqué en 72, l'électrode interriëdiairelargement au- dessus de la cathode, on protège celle-ci contre les claquages éventuels de la haute tension. L'invention peut servir dans toutes les appli- cations des canons à électrons, en particulier lorsqu'on a besoin d'un courant électronique intense sur un diamètre de sonde inférieur à 0,2 nicromètre Plus particulièrement, les domaines d'application de l'invention sont: la microscopie électronique classique et à balayage, la microanalyse par rayons X, la spectroscopie Auger, et la microlithographie, notamment. REVENDICATIONS 1 Canon à électrons, comprenant une cathode à émission de champ ( 20), des organes de focalisation à lentille magnétique ( 50) placés au voisinage de la catho- de, et des organes accélérateurs comportant au moins une anode ( 80) portée à un potentiel choisi, caractérisé par le fait que la lentille magnétique ( 50), définie par un bobinage ( 51), un circuit magnétique ( 52) et une pièce polaire ( 60) en deux parties ( 61, 62), à entrefer, dis- posées coaxialement à la bobine du côté de la cathode ( 20) à émission de champ, et offrant deux orifices axiaux ( 610, 620), est portée au potentiel extracteur des élec- trons, par le fait que l'orifice d'entrée des électrons ( 610), le plus proche de la cathode, possède un diamètre inférieur à celui de l'orifice de sortie ( 620), ces diamètres étant tous deux inférieurs à environ 10 mm, que l'entrefer entre les deux parties ( 61, 62) de la pièce polaire est, selon l'axe de la bobine, inférieur à 3 mm environ, et que la distance entre le plan médian ( 65) de cet entrefer et l'extrémité proximale de la cathode ( 22) est inférieure à 5 mm environ. 2 Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'orifice d'entrée sède un diamètre inférieur à 4 mm, et que l'orifice de sortie ( 620) possède un diamètre compris entre 3 et 8 mm, environ. 3 Canon à électrons selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'orifice d'entrée ( 610) pos- sède un diamètre compris entre 0,5 et 3,5 mm, et que l'orifice de sortie ( 620) possède un diamètre compris entre 4 et 6 mm. 4 Canon à électrons selon l'une des revendica- tions 1 à 3, caractérisé par le fait que l'entrefer est au plus égal à 1,5 mm environ. 2527383. -10- Canon à électrons selon l'une des revendica- tions 1 à 4, caractérisé par le fait que la distance entre le plan médian de l'entrefer ( 65) et l'extrémité proximale ( 22) de la cathode est comprise entre 1,5 et 3 mm. 6 Canon à électrons selon l'une des revendica- tions 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comporte une électrode intermédiaire ( 70; 71, 72) qui entoure au moins la lentille magnétique tout en laissant passer les électrons sur l'axe de celle-ci, et par le fait que le point image donné de la cathode ( 20) par la lentille magnétique ( 50) se place sensiblement au niveau de l'ou- verture ( 73) de l'électrode intermédiaire, du côté de la lentille magnétique qui est opposé à la cathode. 7 Canon à électrons selon la revendication 6, caractérisé par le fait are l'électrode intermédiaire ( 71, 72) entoure également la cathode de façon pratique- ment complète. 8 Canon à électrons selon l'une des revendica- tions 1 à 7, caractérisé par le fait que la partie ( 61) proximale de la pièce polaire à l'égard de la cathode définit côté cathode un creux trcnconique ( 611) se rac- cordant audit orifice d'entrée ( 610), et du côté oppose, au voisinage de l'orifice de sortie et vers celui-ci, une surélévation axiale plate ( 612) de diamètre sensible- ment égal à celui de l'orifice de sortie, suivie latéra- lement de décrochements en retrait ( 613, 614), et par le fait que la partie distale de la pièce polaire comporte, du côté de l'orifice d'entrée ( 610), un plateau radial ( 621) un peu plus large que ladite surélévation, et centré sur l'orifice de sortie ( 620), ce plateau radial ( 621) se raccordant à une zone ( 622) en retrait à l'égard de ladite partie proximale ( 61), tandis qu'une entretoise ( 63) est montée entre la zone en retrait ( 622) de la partie distale et le décrochement ( 613, 614) en retrait de la partie proximale ( 61).