DE102008049654A1

DE102008049654A1 - Elektronenstrahlquelle und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102008049654A1
Application number: DE102008049654A
Authority: DE
Inventors: Volker Drexel; Ulrich Mantz; Bernd Irmer; Christian Penzkofer
Original assignee: Carl Zeiss NTS GmbH; Nanotools GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH; Nanotools GmbH
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-08
Also published as: US8164071B2; JP5657229B2; US8723138B2; US20120131785A1; US20100078557A1; JP2010086967A

Abstract

Eine Spitze 60 einer Elektronenstrahlquelle umfasst einen Kern 57, der eine Beschichtung 59 trägt. Die Beschichtung ist aus einem Material gebildet, welches eine größere elektrische Leitfähigkeit aufweist als ein Material, welches die Oberfläche des Kerns bildet.

Description

Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlquelle und ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronenstrahlquelle. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Elektronenstrahlquelle, welche in der Lage ist, einen Elektronenstrahl mit einer großen Brillanz (Brightness) und/oder einer kleinen Energiebreite bereitzustellen.
Kurze Beschreibung des verwandten Stand der Technik
Herkömmliche Elektronenstrahlquellen umfassen eine Elektrode, aus der ein Elektronenstrahl extrahiert werden kann, indem die Elektrode einem elektrischen Potential, einer thermischen Anregung, einer photonischen Anregung oder einer Kombination aus elektrischem Potential, thermischer Anregung und photonischer Anregung ausgesetzt wird. Für manche Anwendungen ist es wünschenswert, dass der erzeugte Elektronenstrahl eine geringe Energiebreite aufweist, d. h. dass sich Elektronen des erzeugten Strahls hinsichtlich ihrer kinetischen Energie nur wenig unterscheiden. Beispiele für Elektronenstrahlquellen mit vergleichsweiser kleiner Energiebreite sind ein Schottky-Emitter und eine kalte Feldemissionsquelle.
Kathoden solcher Quellen können die Gestalt einer an ihrem Ende dünn zulaufenden Spitze aufweisen, da ein kleiner Krümmungsradius der Spitze den Austritt von Elektronen aus der Spitze im elektrischen Feld erleichtert. Aus WO 95/23424 ist es bekannt, ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Spitze in einer Elektronenstrahlquelle einzusetzen. Aus US 7,288,773 B2 ist es ferner bekannt, einen Nanodraht aus einem Halbleitermaterial als Spitze in einer Elektronenstrahlquelle einzusetzen.
Es hat sich gezeigt, dass aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und aus Nanodrähten Elektrodenspitzen mit kleinen Oberflächenradien herstellen lassen, diese allerdings in der Handhabung, ihrer Montage und ihrer Dauerhaftigkeit im Betrieb als unzureichend empfunden werden.
Überblick über die Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Elektronenstrahlquelle bereitzustellen, welche eine Elektrodenspitze mit vergleichsweise kleinem Radius und/oder vergleichsweise einfacher Herstellbarkeit und Handhabbarkeit und/oder vergleichsweise großer Dauerhaftigkeit im Betrieb bereitzustellen.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist eine Elektronenstrahlquelle vorgesehen, welche eine Spitze aufweist, die einen Kern umfasst, welcher wenigstens bereichsweise mit einer leitfähigen Beschichtung versehen ist.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist die Oberfläche des Kerns durch ein Material bereitgestellt, welches eine kleinere elektrische Leitfähigkeit aufweist als das Material der Beschichtung. Da die Spitze der Elektronenstrahlquelle sehr klein sein kann, kann es schwierig sein, die Leitfähigkeiten der Materialien, aus denen die Spitze gebildet ist, an der Spitze selbst zu messen. Deshalb beziehen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung Werte von Leitfähigkeiten von Materialien, welche zur Bildung der Spitze eingesetzt werden, auf Widerstandswerte, die an Volumenproben (bulk) des jeweiligen Materials gemessen werden können.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist unter der Schicht aus dem vergleichsweise leitfähigen Material, welches wenigstens teilweise die Oberfläche der Spitze bereitstellt, ein weiteres Material vorgesehen, welches eine vergleichsweise kleinere elektrische Leitfähigkeit aufweist. Es ist möglich, dass die Schicht aus dem Material mit der größeren Leitfähigkeit unmittelbar auf einer durch das Material mit der kleineren Leitfähigkeit gebildeten Oberfläche aufgebracht ist und die beiden Materialien in direktem Kontakt miteinander stehen. Es ist jedoch auch möglich, dass zwischen den beiden Materialien eine Schicht aus einem weiteren Material angeordnet ist, um beispielsweise ein Anhaften der Schicht aus dem Material mit der größeren Leitfähigkeit an dem Material mit der kleineren Leitfähigkeit zu verbessern.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung besteht der Kern, dessen Oberfläche durch das Material mit der kleineren Leitfähigkeit bereitgestellt ist und auf den die Beschichtung aus dem Material mit der größeren Leitfähigkeit aufgebracht ist, aus einem Innenkern und einer hierauf aufgebrachten Beschichtung aus dem Material mit der kleineren Leitfähigkeit. Der Innenkern ist hierbei aus einem dritten Material gebildet, welches von dem Material mit der kleineren Leitfähigkeit verschieden sein kann und insbesondere auch eine größere elektrische Leitfähigkeit als dieses aufweisen kann.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen hierin hat die Beschichtung aus dem Material auf dem Innenkern eine Dicke von mehr als einer Monolage aus dem Beschichtungsmaterial. Beispielhafte Dicken liegen in Bereichen von 0,1 nm bis 100 nm, insbesondere von 1 nm bis 50 nm, oder 1 nm bis 30 nm.
Die auf den Kern aufgebrachte Beschichtung aus dem Material mit der größeren Leitfähigkeit kann gemäß Ausführungsformen der Erfindung eine Dicke von 2 nm bis 50 nm, insbesondere von 2 nm bis 30 nm oder 20 nm bis 50 nm, aufweisen.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist die Spitze an einem Sockel befestigt und ihr von dem Sockel weg weisendes Ende weist eine Oberfläche mit einem kleinen Krümmungsradius auf. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen ist der Krümmungsradius kleiner als 100 nm, insbesondere kleiner als 80 nm oder 60 nm. Gemäß weiterer beispielhafter Ausführungsformen ist der Krümmungsradius größer als 5 nm, insbesondere größer als 10 nm.
Gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung kann eine maximale Ausdehnung der Spitze in ihrer Längsrichtung größer als 50 nm, insbesondere größer als 100 nm oder größer als 300 nm sein. Gemäß weiterer beispielhafter Ausführungsformen, kann eine maximale Ausdehnung der Spitze in ihrer Querrichtung kleiner als 500 nm, insbesondere kleiner als 200 nm, kleiner als 100 nm oder kleiner als 50 nm sein.
Gemäß noch weiterer beispielhafter Ausführungsformen kann ein Verhältnis aus der Ausdehnung der Spitze in Längsrichtung zu deren Ausdehnung in Querrichtung (Aspect Ratio) größer als 2:1, größer als 5:1, größer als 10:1 oder noch größer sein. Ferner kann die Spitze sich zu ihrem Ende hin verjüngen.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann eine elektrische Leitfähigkeit eines Materials, welches die Oberfläche der Spitze wenigstens bereichsweise bereitstellt, größer als 10^–7 S/m, größer als 10^–5 S/m, größer als 10^–3 S/m, größer als 10^–1 S/m, größer als 10² S/m, größer als 10⁴ S/m oder größer als 10⁶ S/m sein.
Gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung, kann ein Material, welches eine Oberfläche eines Kerns der Spitze bereitstellt, auf dem eine Beschichtung aus einem Material mit vergleichsweise größerer elektrischer Leitfähigkeit aufgebracht ist, eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, welche kleiner ist als 10⁵ S/m, kleiner als 10³ S/m, kleiner als 10 S/m, kleiner als 10^–1 S/m, kleiner als 10^–3 S/m, kleiner als 10^–5 S/m oder kleiner als 10^–7 S/m.
Gemäß weiterer Ausführungsformen kann ein Verhältnis einer elektrischen Leitfähigkeit eines Materials, welches auf einen Kern einer Spitze einer Elektronenstrahlquelle als Beschichtung aufgebracht ist, zu einer elektrischen Leitfähigkeit eines Materials, auf welches die Beschichtung aufgebracht ist, größer als 10:1, größer als 100:1, größer als 10⁴, größer als 10⁶ oder größer als 10⁸ sein.
Gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung ist ein Material, auf welches eine Beschichtung einer Spitze einer Elektronenstrahlquelle aufgebracht ist, aus diamantähnlichem Kohlenstoff (diamond like carbon) gebildet. Diamantähnliches Kohlenstoffmaterial ist amorphes Kohlenstoffmaterial, welches einige der Eigenschaften von natürlichem Diamant aufweist. Insbesondere enthält diamantähnlicher Kohlenstoff wesentliche Mengen an sp³-hybridisierten Kohlenstoffatomen. Bislang sind sieben Formen von diamantähnlichem Kohlenstoff bekannt. Darunter sind drei wasserstofffreie Formen, die als a-C, pa-C und a-C:Me bezeichnet werden, wobei letzteres ein Metall (Me) als Dotierstoff enthält. Weiterhin sind darunter vier hydrogenierte, Wasserstoff enthaltende Formen, welche als a-C:H, ta-C:H, a-C:H:Me und a-C:H:X bezeichnet werden, wobei die beiden letzteren ein Metall (Me) beziehungsweise andere Elemente (X) als Dotierstoff enthalten. Die Metalle Me können unter anderem Wolfram, Titan, Gold, Molybdän, Eisen und Chrom umfassen, und die anderen Elemente X können unter anderem Silizium, Sauerstoff, Stickstoff, Fluor und Bor umfassen.
Es sind verschiedene Herstellungsformen für diamantähnlichen Kohlenstoff bekannt. Diesen ist gemeinsam, dass das Material auf einer Unterlage abgeschieden wird, wobei Druck, Impuls, Katalyse oder eine Kombination derselben auf sich abscheidende Atome ausgeübt wird, so dass diese zu einem signifikanten Anteil mit bereits abgeschiedenen Kohlenstoffatomen eine sp³-Bindung eingehen.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung hierin kann das Material aus diamantähnlichem Kohlenstoff mit verschiedenen Elementen dotiert sein, wobei insbesondere Au, Mo, Fe, Cr und andere als Dotierstoffe verwendet werden können.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist ein Material, welches als eine Beschichtung auf einen Kern einer Spitze einer Elektronenquelle aufgebracht ist und wenigstens einen Teil von deren Oberfläche bildet, ein Metall. Das Metall kann auch eine Oxidschicht aufweisen, was in manchen Situationen die Austrittsarbeit für Elektronen weiter senkt. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen hierin umfasst das Metall Ti, Pt, Al, W, WTi, V, Hf, Zr und andere, sowie Oxide von diesen, wie etwa TiO_x, VO_x, HfO_x, ZrO_x und andere.
Gemäß alternativer Ausführungsformen hierzu ist dieses Material ein Halbleitermaterial. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen hierin kann das Halbleitermaterial Ge und GaAs. umfassen.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfasst eine Elektronenstrahlquelle eine an einem Sockel befestigte und sich von diesem weg erstreckende Spitze, welche einen Kern mit einer durch ein erstes Material bereitgestellten Oberfläche und einer auf den Kern aufgebrachte Beschichtung aus einem zweiten Material aufweist, welches eine Oberfläche der Spitze wenigstens teilweise bereitstellt, einen ersten elektrischen Anschluss, der mit der Beschichtung elektrisch leitend verbunden ist, eine Extraktionselektrode mit einer Öffnung, die der Spitze gegenüberliegend angeordnet ist, und einen zweiten elektrischen Anschluss, der mit der Elektrode elektrisch leitend verbunden ist.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann eine Spitze, welche eine Beschichtung auf einem Kern umfasst, als Spitze einer Elektronenstrahlquelle eingesetzt werden, welche in ein Elektronenstrahlsystem integriert ist, welches neben der Quelle ein oder mehrere strahlformende Komponenten, wie etwa eine Blende, eine elektronenoptische Linse, einen Strahlablenker oder ähnliche umfassen. Die vorangehend beschriebene Spitze kann ferner dazu eingesetzt werden, mittels Elektronen ein Abbild eines Objekts zu erzeugen. Insbesondere kann die Spitze für die Erzeugung ein oder mehrerer Primärstrahlen eines elektronenmikroskopischen Systems eingesetzt werden.
Gemäß weiterer Ausführungsformen kann die Spitze dazu eingesetzt werden, einen oder mehrere von Schreibstrahlen zu erzeugen, um eine strahlungsempfindliche Schicht mit einem vorbestimmten Muster zu exponieren. Insbesondere kann die Spitze in einem Elektronenlithographiesystem eingesetzt werden.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Elektronenstrahlquelle vorgesehen, wobei das Verfahren umfasst: Aufwachsen eines Kerns aus einem ersten Material auf einen Sockel mittels Deposition und Aufbringen einer Schicht aus einem zweiten Material auf den Kern. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen hierin kann die Deposition elektronenstrahlinduzierte Deposition, ionenstrahlinduzierte Deposition, Aufwachsen des Sockels aus amorphen Kohlenstoff, aus einem lokalen Katalysator, der z. B. mit einem Lithographieverfahren oder Ionendeposition aufgebracht wurde, und andere Verfahren umfassen.
Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert, hierbei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Elektronenstrahlsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine in dem Elektronenstrahlsystem der 1 eingesetzten Elektronenstrahlquelle,
3 eine Fotografie einer Spitze der in 2 schematisch dargestellten Elektronenstrahlquelle,
4 eine schematische Schnittdarstellung einer Elektronenstrahlquelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, und
5 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zum Herstellen einer Elektronenstrahlquelle.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Figuren erläutert. Hierbei werden Komponenten, die sich hinsichtlich ihrer Struktur und Funktion einander entsprechen, mit der gleichen Ziffer versehen, zur Unterscheidung jedoch mit einem zusätzlichen Buch staben versehen. Zur Erläuterung der Komponenten wird deshalb auch auf die gesamte jeweils vorangehende oder nachfolgende Beschreibung Bezug genommen.
1 ist eine schematische Darstellung eines Elektronenstrahlsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Elektronenstrahlsystem 3 umfasst eine Elektronenquelle 5 mit einer Kathode 7, welche nachfolgend detaillierter beschrieben wird, und mit zwei hintereinander angeordneten Anodenblenden 6 und 8, welche jeweils eine Apertur 9 aufweisen. Die beiden Elektroden 6 und 8 sind nahe der Kathode so angeordnet, dass die Öffnungen 9 einer Spitze der Kathode gegenüberliegen und von einem Elektronenstrahl 13 durchsetzt werden, wenn die Quelle 5 in Betrieb ist. Der von der Quelle 5 erzeugte Elektronenstrahl 13 durchsetzt eine Kondensorlinse 11 und eine Ausnehmung 15 in einem Sekundärelektronendetektor 17 und wird durch eine weitere Elektronenoptik 19 auf einen Ort 21 auf einer Oberfläche 23 eines Objekts 25 gerichtet. Die Elektronenoptik 19 umfasst in der schematischen Darstellung der 1 eine magnetische Objektivlinse 27 und kann weitere magnetische oder elektrostatische Linsen und Elektroden umfassen, welche in der 1 nicht dargestellt sind. Ferner umfasst die Optik 19 Deflektoren 29, um den Elektronenstrahl 13 von seinem geradlinigen Verlauf einstellbar abzulenken, so dass er auf auswählbare Orte 21 innerhalb eines ausgedehnten Bereichs 31 auf die Oberfläche 23 des Objekts 25 gerichtet werden kann.
Die Elektronen des Elektronenstrahls 13 lösen an dem Ort 21, an dem sie auf das Objekt treffen, Sekundärelektronen aus, welche durch eine Elektrode 22, an welche eine geeignete Spannung angelegt ist, von der Oberfläche 23 des Objekts 25 weg beschleunigt werden und in die Objektivlinse 27 eintreten. Exemplarische Trajektorien solcher Sekundärelektronen sind in 1 mit dem Bezugszeichen 37 versehen. Ein Teil der Sekundärelektronen trifft auf den Detektor 17 und wird dort detektiert.
Eine Steuerung 33 ist dazu konfiguriert, über Leitungen 35, 36 einen Strom durch die Kathode 7 der Elektronenquelle 5 zu führen, um diese gegebenenfalls zu heizen. Im allgemeinen kann die Kathode ohne Heizen betrieben werden. Ferner dienen die Leitungen 35, 36 dazu, die Spitze der Kathode 7 auf ein vorbestimmtes elektrisches Potential, z. B. bezogen auf Masse, zu bringen. Leitungen 37 und 38 dienen dazu, die beiden Elektroden 6 bzw. 8 jeweils auf ein vorbestimmtes elektrisches Potential bezüglich der Spitze der Kathode 7 zu bringen, so dass eine Emission von Elektronen von der Spitze unterstützt wird und eine Verteilung des elektrischen Feldes im Bereich der Spitze günstig darauf einwirkt, aus den von der Spitze austretenden Elektronen den Strahl 13 zu formen. Über eine Leitung 39 wird eine Halterung 24 für das Objekt 23 und damit das Objekt 23 selbst durch die Steuerung 33 auf ein vorbestimmtes elektrisches Potential bezüglich der Anode 7 gebracht, so dass die Elektronen des Strahls 13 mit einer vorbestimmten kinetischen Energie auf das Objekt 25 treffen. Die hierbei ausgelösten und auf den Detektor 17 treffenden Sekundärelektronen erzeugen in dem Detektor Signale, welche von der Steuerung 33 über eine Leitung 41 ausgelesen werden. Über eine Steuerleitung 42 kontrolliert die Steuerung 33 den Deflektor 29, um den Ort 21 an den der Elekronenstrahl 13 auf das Objekt 25 trifft, auszulenken. Durch Abspeichern der durch den Detektor 17 gelieferten Signale in Abhängigkeit von der Auslenkung des Elektronenstrahls 13, ist es möglich, elektronenmikroskopische Bildinformationen zu dem Objekt 25 zu gewinnen.
Soweit vorangehend beschrieben, hat das Elektronenstrahlsystem 3 die Funktion eines Elektronenmikroskops vom SEM-Typ (scanning electron microscope). Ausführungsformen der Erfindung umfassen jedoch auch andere Typen von Elektronenstrahlsystemen, wie beispielsweise Elektronenmikroskopiesysteme vom LEEM-Typ (low electron emission microscope) und vom TEM-Typ (Transmissions-Elektronen-Mikroskop). Ferner erfassen Ausführungsformen der Erfindung auch Lithographiesysteme, in denen ein oder mehrere Elektronenstrahlen dazu eingesetzt werden, eine strahlungsempfindliche Schicht (Resist) mit einem vorbestimmten Muster zu beschreiben. Hierbei kann wiederum ein Elektronenstrahl in der in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Weise systematisch über die strahlungsempfindliche Schicht geführt werden und dabei in seiner Intensität gesteuert werden, um selektive Bereiche der strahlungsempfindlichen Schicht mit der Energie der auftreffenden Elektronen zu exponieren. Die Intensität des auf die Schicht auftreffenden Strahls kann hierbei durch Ansteuerung der Quelle variiert werden, oder es kann eine separate Strahlausblendvorrichtung (beam blanker) vorgesehen sein, um den Strahl ein- und auszuschalten. Die auf diese Weise exponierte strahlungsempfindliche Schicht kann nachfolgend entwickelt und weiteren lithographischen Schritten, wie beispielsweise Innenimplantation, Sputtern oder Materialabscheidung unterzogen werden, um miniaturisierte Komponenten herzustellen.
2 ist eine Darstellung eines Details der Elektronenstrahlquelle 5 im Querschnitt. Die Elektronenstrahlquelle 5 der hier gezeigten Ausführungsform umfasst eine Trägerplatte 51, welche beispielsweise aus Metall gebildet sein kann, welche auch stromdurchflossen sein kann, um die Kathode zu heizen, und welche einen Anschluss für eine Steuerleitung aufweist, um die Kathode auf ein vorbestimmtes elektrisches Potential relativ zu anderen Komponenten in einem Elektronenstrahlsystem zu bringen.
Auf der Platte 51 ist ein Sockel 53 befestigt, in welchen eine zylindrische Ausnehmung 55 eingebracht ist. Ein Mate rial für den Sockel 53 kann beispielsweise Silizium sein, und die Ausnehmung 55 kann beispielsweise durch Ätzen in den Körper des Sockels 53 eingebracht sein. In der Ausnehmung 55 ist ein Kern 57 einer Spitze 60 der Kathode 7 verankert. Der Kern 57 kann aus einem elektrisch im Wesentlichen nicht leitenden Material gebildet sein. Beispielsweise ist seine elektrische Leitfähigkeit kleiner als 10^–6 S/m. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kern aus diamantähnlichem Kohlenstoff gefertigt. Eine Möglichkeit, den Kern 57 aus diamantähnlichem Kohlenstoff herzustellen, besteht in der Anwendung einer elektronenstrahlinduzierten Deposition. Bei diesem Verfahren wird der Sockel in einer Vakuumkammer, in welcher eine vordefinierte Atmosphäre an Prozessgas herrscht, für welches beispielsweise Kohlenstoffverbindungen eingesetzt werden können, ein Elektronenstrahl auf den Boden der Ausnehmung 55 gerichtet wird, um dort mit der Abscheidung von diamantähnlichem Kohlenstoff zu beginnen. Durch gezieltes Richten des Elektronenstrahls auf die Orte, an denen in einem gegebenen Moment während des Prozesses Kohlenstoffmaterial abgeschieden werden soll, wird das Prozessgas dazu angeregt, an der Oberfläche Kohlenstoffatome derart abzuscheiden, dass diese wenigstens zum Teil mit bereits dort abgeschiedenen Kohlenstoffatomen eine sp³-Bindung eingehen. Es ist hierbei auch möglich, das Prozessgas so zu gestalten, dass der sich abscheidende Kohlenstoff Dotierstoffe, wie beispielsweise Wasserstoff, enthält.
In dem hier beschriebenen Beispiel wurde die Abscheidung so gesteuert, dass der Kern 57 eine Ausdehnung in eine sich von dem Sockel 53 weg erstreckende Richtung von 1 von etwa 560 nm aufweist. Ferner wurde die Abscheidung so gestaltet, dass der Kern einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweist, und zwar mit einer maximalen Ausdehnung orthogonal zur Längsrichtung von b von etwa 150 nm in der Nähe des Sockels, wobei sich der Querschnitt des Kerns 57 hin zu seinem von dem Sockel 53 entfernten Ende kontinuierlich verjüngt. An dem von dem Sockel 53 entfernten Ende weist der Kern einen Oberflächenradius r1 von etwa 13 nm auf.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann die Spitze mit einer hohen Winkelgeschwindigkeit auf den Sockel aufgewachsen werden. Beispielsweise kann eine Längsachse der Spitze unter einem Winkel von weniger als 0,5° zu einer Symmetrieachse des Sockels orientiert sein und einen Abstand von weniger als 0,1 mm von der Symmetrieachse des Sockels aufweisen.
Eine Oberfläche des Kerns 57 ist mit einer leitfähigen Schicht 59 aus Ti und TiO_x beschichtet. Diese Schicht weist eine Schichtdicke c von 10 nm auf und wurde beispielsweise durch Sputtercoating oder Elektronenstrahlverdampfung auf den Kern 57 aufgebracht, wobei sie sich ebenfalls über die Oberfläche des Sockels 53 bis hin zu der Platte 51 erstreckt, so dass eine elektrisch relativ gut leitfähige Verbindung zwischen der Platte 51 und dem von dem Sockel 53 entfernten Ende der Spitze 7 hergestellt ist. In dem in 2 schematisch dargestellten Zustand ist ebenfalls das von dem Sockel 53 weg weisende Ende des Kerns 57 mit der Schicht 59 bedeckt, so dass eine Außenoberfläche der Kathode 7 an diesem Ende einen Krümmungsradius r2 von etwa 23 nm aufweist.
3 zeigt eine Fotografie der vorangehend anhand der 2 erläuterten Kathode 7.
Eine Kathode der in 3 gezeigten Art ist in der Lage, einen Elektronenstrahl vergleichsweise großer Intensität über eine relativ große Zeit zu erzeugen. In einem durchgeführten Experiment ergab sich ein Strahlstrom von 3 μA und konnte über eine Dauer von 1500 Stunden aufrechterhalten werden. Hierbei blieb der Strahlstrom vergleichsweise konstant, wobei sich Stromschwankungen der Größe von maximal 10% ergaben, wobei allerdings im Bereich von einigen Minuten Stromschwankungen kleiner als 3% waren.
Eine Erklärung für die Leistungsfähigkeit der in 2 gezeigten Struktur als Elektronenstrahlquelle ist durch die Erfinder noch nicht in vollem Umfang möglich. Vermutungen zufolge kann eine Erklärung darin gesehen werden, dass die gefertigte Struktur ein relativ großes Längen- zu Breitenverhältnis und einen geringen Radius an der Spitze aufweist, so dass sich dort eine günstige Verstärkung des elektrischen Feldes ergibt. Zum anderen kann dies daran liegen, dass das Material des Kerns eine große Dauerhaftigkeit aufweist und einem während des Betriebes auftretenden Beschuss durch Ionen eines Restgases in dem Vakuumraum um die Spitze lange standhält. Selbst wenn die Schicht 59 an dem Ende der Spitze auf Grund eines solchen Beschusses abgebaut ist, kann dennoch eine gute Emission von Elektronen erfolgen, da diese über die sich zylindrisch um den Kern 57 erstreckende Schicht 59 die Elektronen bis zum Ende der Spitze leitet. Weiteren Überlegungen zufolge bewegen sich die Elektronen, welche, aus der Spitze austreten, in der leitenden Schicht, welche im Querschnitt die Gestalt einer Kreisringfläche aufweist, in welcher Zustände der Elektronen quantisiert sind. Die sich hierdurch ergebenden Energieniveaus für Elektronen in der Schicht sind hierbei so besetzt, dass für Elektronen, die sich in einem der höheren besetzten Energieniveaus befinden, die Austrittsarbeit aus der Schicht heraus relativ gering ist beziehungsweise eine Tunnelwahrscheinlichkeit für Elektronen aus der Spitze heraus relativ hoch ist.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Spitze 60a für eine Elektronenstrahlquelle 7a. Die in 4 gezeigte Spitze 60a weist eine ähnliche Struktur und eine ähnliche Funktion auf, wie die anhand der 2 erläuterte Spitze.
Im Unterschied hierzu ist ein Kern 57a jedoch nicht einstückig aus einem einzelnen Materialstück gebildet. Vielmehr weist der Kern 57a einen Innenkern 65 auf, welcher eine langgestreckte Gestalt aufweist und an seinem von einem Sockel 53a entfernten Ende eine verrundete Oberfläche aufweist. Der Innenkern 65 ist mit einer Schicht 57a aus einem nichtleitenden Material beschichtet. Die Schicht 57a ist weiterhin mit einer Schicht 59a aus leitfähigem Material beschichtet, so dass sich die Beschichtung 59a bis hin zu dem von dem Sockel 53a entfernten Ende des Kerns 57a erstreckt und ferner sich hin bis zu einer Platte 51a erstreckt, an welcher der Sockel 53a gehalten ist, um eine leitfähige Verbindung zwischen der Platte 51a und dem von dem Sockel 53a entfernten Ende des Kerns 57a bereitzustellen.
Ähnlich wie bei der anhand der 2 erläuterten Ausführungsform umfasst die Spitze 60a somit eine deren Oberfläche wenigstens teilweise bereitstellende leitfähige Beschichtung 59a, welche in einem Bereich der Spitze auf einem nicht leitfähigen Material 63 aufgebracht ist. Deshalb ist es möglich, dass der Innenkern 65 aus einem Material gebildet ist, welcher selbst leitfähig ist oder nicht leitfähig ist.
Als beispielhafte Materialien für den Innenkern sind diamantähnlicher Kohlenstoff, für dessen Beschichtung 57a sind SiO₂ und für die äußere Beschichtung 59a, sind Ti und TiO_x.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Elektronenstrahlquelle wird nachfolgend anhand der 5 erläutert. Das Verfahren beginnt mit einem Schritt 101, in welchem ein Sockel bereitgestellt wird, an welchem dann in den nachfolgenden Schritten eine geeignete Spitze angebracht wird. In einem Schritt 103 wird hierzu auf den Sockel ein Kern der Spitze aufgewachsen. Bei den anhand der 2 und 4 erläuterten Ausführungsformen weist der Sockel eine Ausnehmung auf, in welcher der aufgewachsene Kern verankert wird. Es ist jedoch auch möglich, den Kern direkt auf eine glatte Oberfläche des Sockels, d. h. nicht in einer Ausnehmung desselben, so aufzuwachsen, dass er auch ausreichend an dem Sockel verankert ist. Nach dem Aufwachsen des Kerns der Spitze derart, dass er eine gewünschte Länge, einen gewünschten Querschnitt und gegebenenfalls eine gewünschte Verjüngung hin zu seinem von dem Sockel entfernten Ende aufweist, wird in einem Schritt 105 der Kern mit einem leitfähigen Material beschichtet. Mit dem Schritt 105 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Spitze für eine Elektronenstrahlquelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beendet.
Das Verfahren zum Herstellen der Elektronenquelle gemäß der hier erläuterten Ausführungsform der Erfindung umfasst einen darauffolgenden weiteren Schritt 107, in welchem die Spitze mit dem Sockel zu einer Elektronenquelle montiert wird, indem ein oder mehrere Blenden mit Aperturen derart relativ zu dem Sockel angeordnet werden, dass die Apertur der Spitze gegenüber liegt, so dass, bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Blende und dem Sockel, sich eine Verteilung des elektrischen Feldes zwischen der Blende und der Spitze derart ergibt, dass Elektronen aus der Spitze extrahiert und zu einem Strahl geformt werden können. Mit der Montage zur Elektronenstrahlquelle in dem Schritt 107 ist eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Elektronenstrahlquelle beendet.
Eine Ausführungsform zur Herstellung eines Elektronenstrahlsystems umfasst hingegen noch einen weiteren Schritt 109, in dem die Elektronenstrahlquelle in ein solches Elektronenstrahlsystem integriert wird. Das Elektro nenstrahlsystem kann beispielsweise ein Elektronenmikroskopiesystem oder ein Elektronenlithographiesystem sein.
Der Kern kann durch elektronenstrahlinduzierte Deposition auf dem Sockel abgeschieden werden. Es ist jedoch auch möglich, andere Verfahren zur Deposition auf dem Sockel einzusetzen, wie beispielsweise katalytischen Aufwachsen von amorphen Kohlenstoff. Ferner ist es möglich, den Kern mit einer Spitze von kleinem Spitzenradius auch dadurch herzustellen, dass ein zunächst größerer Rohling durch gezieltes Abtragen in seiner Dimension reduziert wird. Beispiele für derartige Verfahren sind Milling-Prozesse mit Gallium-Ionen oder Argon-Ionen.
Ferner ist es möglich, als Kern für eine Spitze einer Elektronenstrahlquelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Spitze zu verwenden, wie sie für ein Raster-Tunnel-Mikroskop oder ein Atom-Kraft-Mikroskop zum Einsatz kommt. Ein Beispiel hierfür bildet eine AFM Probe, welche von der Firma nano-tools GmbH, 80469 München, Deutschland, bezogen werden kann. Auf den so erhaltenen Kern ist sodann noch der Schritt 105 des Beschichtens mit einem leitfähigen Material anzuwenden, um eine Spitze für eine Elektronenstrahlquelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zu erhalten.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfasst eine Spitze einer Elektronenstrahlquelle einen Kern, der eine Beschichtung trägt. Die Beschichtung ist aus einem Material gebildet, welches eine größere elektrische Leitfähigkeit aufweist als ein Material, welches die Oberfläche des Kerns bildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 95/23424 [0003]
- US 7288773 B2 [0003]

Claims

Elektronenstrahlquelle, umfassend: einen Sockel (53), eine an dem Sockel befestigte und sich von diesem weg erstreckende Spitze (60), welche einen Kern (57) mit einer durch ein erstes Material bereitgestellten Oberfläche und einer auf dem Kern aufgebrachte Beschichtung (59) aus einem zweiten Material aufweist, welches eine Oberfläche der Spitze bereitstellt, einen ersten elektrischen Anschluss (35, 36), der mit der Beschichtung (59) elektrisch leitend verbunden ist, eine Extraktionselektrode (6, 8) mit einer Öffnung (9), die der Spitze gegenüberliegend angeordnet ist, und einen zweiten elektrischen Anschluss (37, 38), der mit der Elektrode elektrisch leitend verbunden ist, wobei wenigstens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: eine elektrische Leitfähigkeit des ersten Materials ist kleiner als 10⁵ S/m, kleiner als 10³ S/m, kleiner als 10 S/m, kleiner als 10^–1 S/m, kleiner als 10^–3 S/m, kleiner als 10^–5 S/m oder kleiner als 10^–7 S/m, eine elektrische Leitfähigkeit des zweiten Materials ist größer als 10^–7 S/m, größer als 10^–5 S/m, größer als 10^–3 S/m, größer als 10^–1 S/m, größer als 10² S/m, größer als 10⁴ S/m oder größer als 10⁶ S/m, und ein Verhältnis aus der elektrischen Leitfähigkeit des zweiten Materials und der elektrischen Leitfähigkeit des ersten Materials ist größer als 10:1, größer als 100:1, größer als 10⁴, größer als 10⁶ oder größer als 10⁸.
Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 1, wobei ein von dem Sockel entferntes Ende der Spitze einen Oberflächen-Krümmungsradius aufweist, welcher kleiner als 100 nm, kleiner als 80 nm, kleiner als 60 nm oder noch kleiner sein kann.
Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Ausdehnung der Spitze in ihrer von dem Sockel weg sich erstreckenden Längsrichtung wenigstens 2 mal, 5 mal und insbesondere 10 mal größer ist, als eine maximale Ausdehnung der Spitze in ihrer orthogonal zu der Längsrichtung sich erstreckenden Querrichtung.
Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine maximale Ausdehnung der Spitze in ihrer Längsrichtung größer als 50 nm, größer als 100 nm und insbesondere größer als 300 nm ist.
Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Ausdehnung der Spitze in ihrer Querrichtung kleiner als 500 nm, kleiner als 100 nm und insbesondere kleiner als 50 nm ist.
Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Dicke der Beschichtung aus dem zweiten Material größer ist als 2 nm, größer ist als 5 nm und insbesondere größer ist als 10 nm.
Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Dicke der Beschichtung aus dem zweiten Material kleiner ist als 50 nm, kleiner ist als 30 nm und insbesondere kleiner ist als 20 nm.
Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kern auch in seinem Zentrum aus dem ersten Material gebildet ist.
Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der ein Kern der Spitze einen Innenkern aus einem von dem ersten Material verschieden dritten Material aufweist, und wobei eine Schicht aus dem ersten Material auf den Innenkern aufgebracht ist.
Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste Material diamantähnlicher Kohlenstoff ist.
Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das erste Material sp3-gebundenen Kohlenstoff umfasst.
Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 11, wobei das erste Material wenigstens einen Zusatz aus der Gruppe von sp2-gebundener Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Fluor, Bor umfasst.
Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das erste Material im wesentlichen aus diamantähnlichem Kohlenstoff besteht.
Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das zweite Material ein Metall umfasst.
Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 14, wobei das Metall wenigstens ein Element aus der Gruppe Ti, Pt, Al, W, V, Hf, Fe, Co, Ni umfasst.
Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das zweite Material ein Halbleitermaterial umfasst.
Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 16, wobei das Halbleitermaterial wenigstens eines aus der Gruppe Si, Ge, In, Ga und As, P, Sb umfasst.
Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 17, ferner umfassend eine Spannungsversorgungseinrichtung zum Zuführen von elektrischen Versorgungsspannungen an die erste Elektrode und die zweite Elektrode.
Verfahren zum Herstellen einer Elektronenstrahlquelle, insbesondere zum Herstellen der Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das Verfahren umfasst: Aufwachsen eines Kerns aus einem ersten Material auf einen Sockel mittels elektronenstrahlinduzierter Deposition oder ionenstrahlinduzierter Deposition, Aufbringen einer Schicht aus einem zweiten Material auf den Kern, und Anordnen des Kerns gegenüber einer Öffnung einer Extraktionselektrode.
Elektronenstrahlsystem, umfassend eine Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 19 oder eine nach dem Verfahren von Anspruch 19 hergestellte Elektronenstrahlquelle.
Verwendung der Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 19 oder der nach dem Verfahren von Anspruch 19 hergestellte Elektronenstrahlquelle, zur Erzeugung von Elektronenstrahlen mit einer Stromstärke von mehr als 0,1 μA, mehr als 0,5 μA und insbesondere mehr als 1 μA.
Verwendung der Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 19 oder der nach dem Verfahren von Anspruch 19 hergestellte Elektronenstrahlquelle, zum Erzeugen eines elektronenmikroskopischen Bildes eines Objekts.
Verwendung der Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 19 oder der nach dem Verfahren von Anspruch 20 hergestellte Elektronenstrahlquelle, zum Exponieren einer sensitiven Schicht mit einem vorbestimmten Muster.