DE10210006A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen geladener Teilchen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen geladener Teilchen

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Abstract

Verfahren zum Erzeugen eines geladenen Teilchens, bei dem zwischen einem Ionenerzeugungsmodus und einem Elektronenerzeugungsmodus gewechselt werden kann. In dem Ionenerzeugungsmodus wird ein Ausgangsstoff an der Spitze einer Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen durch einen in der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen ausgebildeten Ausgangsstoffkanal zugeführt. Es wird ein erstes elektrisches Feld generiert, bei dem die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen positiv und die Abzugselektrode für die geladenen Teilchen negativ ist, um aus dem an der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen befindlichen Ausgangsstoff Ionen zu emittieren. In dem Elektronenerzeugungsmodus wird die Zufuhr von Ausgangsstoff aus dem Ausgangsstoffversorgungsabschnitt unterbrochen. Es wird ein zweites elektrisches Feld generiert, bei dem die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen negativ und die Abzugselektrode für die geladenen Teilchen positiv ist, um aus dem an der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen befindlichen Ausgangsstoff Elektronen zu ermittieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum wahlweisen Erzeugen geladener Teilchen, in der bzw. mit dem entweder Ionen, Elektronen oder beides er­ zeugt werden.
In einer herkömmlichen Ionenquelle mit einer Nadelelektrode wurde um die Nadelelektrode ein Vakuum erzeugt (beispiels­ weise von etwa 10-8 Pa). Dem Spitzenende der Nadelelek­ trode wurde bei Raumtemperatur ein gasförmiger Ausgangs­ stoff zugeführt. Als Folge wurde das Vakuum um die Nadel­ elektrode auf etwa 10-2 Pa reduziert. In Abhängigkeit von dem zu erzeugenden Ionentyp wurde die Nadelelektrode gekühlt. Der gasförmige Ausgangsstoff wurde verflüssigt und durch ein starkes elektrisches Feld zwischen der Nadelelek­ trode und einer Abzugselektrode ionisiert. Im Stand der Technik war folglich eine Kühlvorrichtung zum Verflüssigen des Ausgangsstoffes unentbehrlich. Darüber hinaus ver­ schwendete der Stand der Technik den zugeführten Ausgangs­ stoff, da er größtenteils in das Vakuum-/Abzugssystem strömte.
In den letzten Jahren besteht im Bereich der Nanotechnolo­ gie ein großer Bedarf an einer einzigen Vorrichtung zum Emittieren sowohl von Elektronen- als auch Ionenstrahlen. Beispielsweise wird das Anzeichnen oder Bearbeiten durch wahlweises Verwenden der Eigenschaften eines Elektronen- oder eines Ionenstrahlen durchgeführt. Alternativ kann ein Verfahren zum Anzeichnen oder ein Verfahren zur Ioneninjek­ tion, die den Ionenstrahl einsetzen, durch den Elektronen­ strahl überwacht werden.
Im letztgenannten Fall kann von der Nadelelektrode ein Elektron emittiert werden, nachdem die Zuführung des Aus­ gangsstoffes von der Ionenquelle geendet hat. Da der Aus­ gangsstoff an dem Spitzenende der Nadelelektrode anhaftet, ist es allerdings erforderlich, dass eine Art Heizeinrich­ tung verwendet wird, um die anhaftenden Substanzen zu ent­ fernen und um ein Elektron von der gereinigten Stirnfläche der Nadelelektrode zu emittieren.
Auf diese Weise, sobald die Nadelelektrode als Ionenquelle eingesetzt wird, wird sie gekühlt. Wird die Nadelelektrode als Elektronenquelle verwendet, wird sie erwärmt. Dement­ sprechend muss die Temperatur der Nadelelektrode schnell verändert werden, beispielsweise innerhalb eines Bereiches von ca. mehreren K bis zu 200 K. Dies erfordert eine Kühleinrichtung, beispielsweise einen mit flüssigem Helium oder Stickstoff gefüllten Tank oder eine Kühlvorrichtung, ebenso wie eine Heizeinrichtung.
Der atmosphärische Druck um die Nadelelektrode liegt bei 10-8 Pa, wenn sie als Elektronenquelle verwendet wird. Wird die Nadelelektrode als Ionenquelle eingesetzt, kann der Druck um die Nadelquelle in Abhängigkeit von dem gasförmigen Ausgangsstoff beispielsweise bei 10-2 Pa liegen. Um derartige unterschiedliche Drücke schnell zu realisieren, ist eine Turbomolekularpumpe (oder eine Öldiffusionspumpe) erforderlich, welche jeglicher höherer Belastung widerstehen kann. Zusätzlich sind bei derartigen Differenzialpumpsystemen Schwierigkeiten im Betrieb und höhere Kosten unvermeidbar.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung kann eine Vorrichtung zur Erzeu­ gung geladener Teilchen sowie ein Verfahren bieten, die bzw. das einen neuen und verbesserten Aufbau verwendet, der für den Einsatz entweder in einer Ionen-, einer Elektronen­ quelle oder in beiden Quellen geeignet ist.
Ferner kann die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen sowie ein Verfahren bieten, mit der bzw. mit dem ein Ausgangsstoff ionisiert werden kann, ohne dass dieser bis zu seinem Verflüssigungspunkt abge­ kühlt werden muss.
Ferner kann die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen sowie ein Verfahren bieten, mit der bzw. mit dem ein Ausgangsstoff mit hoher Effizienz ionisiert werden kann.
Des Weiteren kann durch die vorliegende Erfindung eine Vor­ richtung zum Erzeugen geladener Teilchen sowie ein Verfah­ ren geschaffen werden, mit der bzw. mit dem durch Zuführen eines Ausgangsstoffes ein heller Elektronenstrahl erzeugt werden kann.
Des Weiteren kann die vorliegende Erfindung eine Vorrich­ tung zum Erzeugen geladener Teilchen sowie ein Verfahren bieten, die bzw. das unabhängig von dem Material, aus dem eine das geladene Teilchen erzeugende Elektrode gebildet ist, einen Elektonenstrahl mit erhöhter Stromdichte erzeu­ gen kann.
Ferner kann die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen sowie ein Verfahren bieten, die bzw. das nur eine einzige Einrichtung verwenden kann, indem wahlweise zwischen einer Ionenquelle und einer Elek­ tronenquelle geschaltet wird.
Zu diesem Zweck bietet die vorliegende Erfindung gemäß ei­ nem Aspekt eine Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teil­ chen, mit:
einer Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen, welche einen durch diese ausgebildeten Ausgangsstoffkanal auf­ weist, wobei der Ausgangsstoffkanal vom Basisende zum freien Ende der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen verläuft;
einem mit dem Basisende verbundenen Ausgangsstoff-Versor­ gungsabschnitt, welcher dem Ausgangsstoffkanal der Elektro­ de zum Erzeugen geladener Teilchen einen Ausgangsstoff zu­ führt; und
einer Abzugselektrode für geladene Teilchen, welche ein elektrisches Feld zwischen der Abzugselektrode für geladene Teilchen und dem freien Ende der Elektrode zum Erzeugen ge­ ladener Teilchen erzeugt.
Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Ausgangsstoff ausgehend von dem Ausgangsstoff-Versorgungs­ abschnitt durch den in der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen ausgebildeten Ausgangsstoffkanal in das freie En­ de (oder das Spitzenende) der Elektrode zum Erzeugen gela­ dener Teilchen geleitet. Da das elektrische Feld zwischen dem freien Ende der Elektrode zum Erzeugen geladener Teil­ chen und der Abzugselektrode für geladene Teilchen erzeugt wird, werden geladene Teilchen aus dem Ausgangsstoff am freien Ende emittiert.
In Abhängigkeit von der Richtung des elektrischen Feldes handelt es sich bei den geladenen Teilchen um Ionen oder Elektronen.
Ein Ion kann aus dem Ausgangsstoff an dem freien Ende der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen durch Erzeugen eines elektrischen Feldes emittiert werden, bei dem die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen positiv und die Abzugselektrode für geladene Teilchen negativ ist.
Im Gegensatz hierzu kann aus dem Ausgangsstoff am freien Ende der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen ein Elektron emittiert werden, indem ein elektrisches Feld generiert wird, bei dem die Elektrode zum Erzeugen gelade­ ner Teilchen negativ und die Abzugselektrode für geladene Teilchen positiv ist.
Alternativ kann aus dem Ausgangsstoff am freien Ende der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen wahlweise ein Ion oder Elektron emittiert werden, indem wahlweise ein erstes elektrisches Feld, bei dem die Elektrode zum Erzeugen gela­ dener Teilchen positiv und die Abzugselektrode für geladene Teilchen negativ ist, und ein zweites elektronisches Feld erzeugt wird, bei dem die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen negativ und die Abzugselektrode für geladene Teil­ chen positiv ist.
Wenn ein Elektron aus dem Ausgangsstoff emittiert wird, kann der Ausgangsstoff-Versorgungsabschnitt einen Ausgangs­ stoff zuführen, der eine geringere Austrittsarbeit hat als die Austrittsarbeit des Materials der Elektrode zum Erzeu­ gen geladener Teilchen. In diesem Fall können die Bedingun­ gen, wie die Temperatur und das elektrische Feld, die zur Erzeugung eines Elektrons mit erhöhter Stromdichte erfor­ derlich sind, reduziert werden.
Durch einen anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erzeugen eines geladenen Teilchens geschaffen, mit:
einer Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen, welche einen durch diese ausgebildeten Ausgangsstoffkanal auf­ weist, wobei der Ausgangsstoffkanal vom Basisende zum freien Ende der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen verläuft;
einem mit dem Basisende verbundenen Ausgangsstoff-Ver­ sorgungsabschnitt, welcher dem Ausgangsstoffkanal der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen einen Ausgangs­ stoff zuführt;
einer Abzugselektrode für geladene Teilchen, welche ein elektrisches Feld zwischen der Abzugselektrode für gelade­ ne Teilchen und dem freien Ende der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen erzeugt;
einem ein elektrisches Feld bildenden Spannungsversorgungs­ abschnitt, welcher in einem Ionenerzeugungsmodus ein erstes elektrisches Feld, in welchem die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen positiv und die Abzugselektrode für die geladenen Teilchen negativ ist, und in einem Elektronener­ zeugungsmodus ein zweites elektrisches Feld erzeugt, in welchem die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen nega­ tiv und die Abzugselektrode für die geladenen Teilchen positiv ist; und
einem Ausgangsstoff-Versorgungsunterbrechungsabschnitt, welcher im Elektronenerzeugungsmodus die Zufuhr von Aus­ gangsstoff aus dem Ausgangsstoff-Versorgungsabschnitt unterbricht.
Bei diesem Aspekt wird die Zuführung des Ausgangsstoffes im Elektronen-Erzeugungsmodus unterbrochen. Hierdurch wird das Elektron von der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen selbst emittiert. Im Vergleich zu dem Fall, bei dem unter­ schiedliche Ausgangsstoffe im Ionen- und Elektronen-Erzeu­ gungsmodus verwendet werden, kann hierdurch die Steuerung vereinfacht werden, indem lediglich die Zuführung des Aus­ gangsstoffes gestoppt wird.
Die oben genannten Aspekte der vorliegenden Erfindung können auch einen Temperatursteuerungsabschnitt umfassen, der die Temperatur der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen steuert. Das Vorsehen dieses Temperatursteuerungsabschnit­ tes ermöglicht es, dass die Zuführung des Ausgangsstoffes kontrolliert werden kann, dass die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen gereinigt werden kann und dass die Elek­ trode zum Erzeugen geladener Teilchen Thermoelektronen bzw. von einem thermischen Feld emittierte Elektronen emittieren kann.
Die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen, welche bei den oben genannten Aspekten der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann einen rohrförmigen Aufbau haben, durch deren Mitte ein Hohlraum mit einem feinen Durch­ messer ausgebildet ist. Ein derartiger rohrföhrmiger Elek­ trodenaufbau kann aus Kohlenstoff gebildet sein. Insbeson­ dere kann der rohrförmige Elektrodenaufbau durch eine ein­ wandige Nanoröhre (bzw. Kohlenstoff-Nanoröhre), welche einen zylindrischen Aufbau mit einer hexagonalen Kohlen­ stoffschicht (Graphitschicht) aufweist, oder durch eine Nanofaser gebildet sein, welche aus einer mehrwandigen Nano­ röhre gebildet ist, die Nanoröhren verschiedener Durch­ messer umfasst.
Der zylindrische Aufbau mit einer hexagonalen Kohlenstoff­ schicht kann aus amorphem Kohlenstoff, polykristallinem Kohlenstoff oder einer einatomigen Schicht aus Kohlenstoff wie "Sumi" (chinesische Tinte) oder amorphem Kohlenstoff gebildet sein.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Vor­ richtung zum Erzeugen geladener Teilchen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung;
Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht in vergrößer­ tem Maßstab der in Fig. 1 gezeigten Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen;
Fig. 3 zeigt den Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 1, wenn diese als Ionenquelle eingesetzt ist;
Fig. 4 ist eine Ansicht, die den Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 1 zeigt, wenn diese als Elektronenquelle eingesetzt ist;
Fig. 5 ist eine sich von der Fig. 4 unterscheidende Ansicht, die den Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 1 zeigt, wenn diese als Elektronenquelle ein­ gesetzt ist;
Fig. 6 ist eine schematische Schnittansicht einer Vor­ richtung zum Erzeugen geladener Teilchen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung;
Fig. 7 ist eine vergrößerte Ansicht, die den Teil A von Fig. 6 zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Aufbau der Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen, nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 weist die Vorrichtung zum Er­ zeugen geladener Teilchen eine Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen, eine Abzugselektrode 110 für geladene Teilchen sowie einen Stromversorgungsabschnitt 120 zum Erzeugen eines elektrischen Feldes auf, der zum Erzeugen eines starken elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 100 und 110 dient.
Die Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen ist an einem Ausgangsstoff-Speicher 130 gehalten, cler beispiels­ weise aus einem isolierenden Material gefertigt sein kann. Der Ausgangsstoff-Speicher 130 umfasst einen Ausgangsstoff- Versorgungsanschluss 132, der durch ein Ventil 134 geöffnet und geschlossen werden kann.
Die Elektrode 110 zum Erzeugen geladener Teilchen ist an dem Ausgangsstoff-Speicher 130 durch einen isolierenden Elektrodenhalter 140 gehalten.
Obwohl der in Fig. 2 dargestellte Ausgangsstoff-Speicher 130 aus einem isolierenden Material gefertigt ist, kann er auch aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt sein. In einem derartigen Fall kann der mit dem Ausgangs­ stoff-Speicher verbundene Versorgungsanschluss 132 als Hochspannungsanschluss eingesetzt werden. Somit kann die Hochspannungsversorgung für die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen durch den Ausgangsstoff-Speicher 130 vorgenommen werden.
Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht der Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen in vergrößerter Dar­ stellung. In dieser Figur kann die Elektrode 100 zum Erzeu­ gen geladener Teilchen aus einem mehrwandigen Kohlen­ stoffröhrchen 102 mit konzentrischem, zylindrischen Aufbau gebildet sein. Fig. 2 zeigt schematisch fünf rohrförmige Kohlenstofflagen 102a bis 102e. Das Kohlenstoffröhrchen 102 hat ein freies, nadelförmiges Ende, das beispiels­ sweise durch Ätzen mit einer KOH-Lösung gefertigt sein kann. An der Außenseite des Kohlenstoffröhrchens 102 ist eine Plattierungsschicht 104 aus Ta oder Ni ausgebil­ det. Die Plattierungsschicht 104 ist am freien Ende des Kohlenstoffröhrchens 102 beispielsweise durch Naßsätzen des freien Endes mit konzentrierter Schwefelsäure oder konzen­ trierter Salzsäure entfernt worden.
Um das Basisende des Kohlenstoffröhrchens 102 ist bei­ spielsweise durch Schweißen eine Elektrodenhalterung 106 befestigt, welche aus Wolfram (W) oder Ähnlichem gefertigt ist. Die Plattierungsschicht 104 dient zum stabilen Befe­ stigen der Elektrodenhalterung 106 an dem Kohlenstoff­ röhrchen 102.
Die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen kann aus ei­ nem Kohlenstoff-Nanoröhrchen gefertigt sein, das einwandig, aus mehreren einzelnen Wänden oder mehrwandig ausgebildet ist. In diesem Fall kann das freie Ende des Kohlensoff-Na­ noröhrchens ohne jegliche Bearbeitung hinreichend als Na­ delelektrode arbeiten, da der Durchmesser des freien Endes eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens fein ist.
Die Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen ist so aus einem einwandigen oder mehrwandigen Kohlenstoffröhr­ chen 102 geformt. Das Kohlenstoffröhrchen 102 hat einen zylindrischen Aufbau mit einer hexagonalen Kohlenstoff­ schicht. Somit fungieren in der Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen die Gitter des Kohlenstoffröhrchens 102, der Hohlraum des Zylinders und die Fugen zwischen den rohrförmigen Schichten als Kanal 108 für den Ausgangsstoff. Anders gesagt kann der Ausgangsstoff-Speicher 130 durch Fluidförderung mit dem freien Ende der Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen durch den in der Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen ausgebildeten Kanal 108 für den Ausgangsstoff verbunden sein.
Um die Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen ist ein Temperatursteuerungsabschnitt, beispielsweise eine Heizeinrichtung 150, angeordnet. Allerdings kann das Er­ wärmen auch erfolgen, indem elektrischer Strom direkt durch die Elektrode oder indirekt zu der Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen geleitet wird.
Betrieb der Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen als Ionenquelle
Fig. 3 zeigt den Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 1 bei Verwendung als Ionenquelle. Um positiv geladene Ionen in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zu emittieren, er­ zeugt der ein elektrisches Feld bildende Stromversorgungs­ abschnitt 120 ein starkes elektrisches Feld, bei dem die Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen positiv und die Abzugselektrode 110 für geladene Teilchen negativ ist, sowie es in Fig. 3 gezeigt ist.
Anschließend wird das Ventil 134 geöffnet, um den Ausgangs­ stoff als Ionensorte durch den Versorgungsanschluss 132 in den Ausgangsstoff-Speicher 130 zuzuführen.
Das Umgebungsgas um die Elektrode 100 zum Erzeugen gelade­ ner Teilchen wird durch Evakuieren der Vorrichtung zum Er­ zeugen geladener Teilchen mit Hilfe einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) auf beispielsweise etwa 10-8 Pa eingestellt.
Diese Vakuumatmosphäre steht mit dem Ausgangsstoff-Speicher 130 durch den Kanal 108 für den Ausgangsstoff in der Elek­ trode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen in Verbindung.
Somit wird der Ausgangsstoff im Ausgangsstoff-Speicher 130 vom Basisende zum freien Ende der Elektrode 100 zum Erzeu­ gen geladener Teilchen über den Kanal 108 für den Ausgangs­ stoff der Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen aufgrund der Druckdifferenz verteilt bzw. bewegt.
Der in das freie Ende der Elektrode 100 zum Erzeugen eines geladener Teilchen gewanderte Ausgangsstoff wird durch das zuvor angesprochene starke elektrische Feld ionisiert. Die positiven Ionen werden durch die Abzugselektrode 110 für geladene Teilchen abgezogen, um einen von der Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen zu emittierenden Ionen­ strahl zu bilden.
Heim Stand der Technik war ein Tank mit flüssigem Helium oder Stickstoff oder eine Gefriereinrichtung zum Verflüssi­ gen des gasförmigen Ausgangsstoffes um die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen erforderlich. Dieses Ausfüh­ rungsbeispiel benötigt dagegen keine dieser Komponenten.
Da die Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen aus einem Kohlenstoffröhrchen 102 gebildet ist, welches einen Kanal 108 mit kleinem Durchmesser für den Ausgangsstoff bietet, kann fast der gesamte Ausgangsstoff ohne Verluste ionisiert werden.
Der zuzuführende Ausgangsstoff kann in Abhängigkeit von dem Typ der zu emittierenden Ionenart ausgewählt werden. Wenn die Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen als eine Ionenquelle für eine Ionenstrahl-Vorrichtung eingesetzt wird, kann der Ausgangsstoff in Abhängigkeit von dem Typ der einzustrahlenden Ionenart gewählt werden. Wenn das Werkstück durch Verwendung eines Ionenstrahls bearbeitet wird, und der Typ der Ionenart nicht näher spezifiziert ist, ist es wünschenswert, dass der zuzuführende Ausgangsstoff ein Ausgangsstoff mit einem reduzierten Absolutwert für die Austrittsarbeit ist, wie der von Cäsium (Cs) oder Barium (Ba), da es den gewünschten Elektronenstrom bei mo­ difizierten Temperaturbedingungen gewährleisten kann.
Die Geschwindigkeit des durch den Kanal 108 strömenden Aus­ gangsstoffes kann eingestellt werden, indem zusätzlich zu dem Maß des Vakuums in der Kammer, dem Versorgungsdruck des Ausgangsstoffes oder Ähnlichem die Temperatur in der Heiz­ einrichtung 150 geeignet eingestellt wird.
Eine derartige Feldionisations-Ionenquelle kann für jegli­ che Art von Ionen-Mikro-Analysevorrichtung, Ionenstrahl- Zeichnungseinrichtung, Belichtungseinrichtung für Halblei­ terlithographie, Rasterionenmikroskopie (SIM = Scanning Ion Microscopy), Mehl-Vorrichtung, Ionenstrahlvorrichtung, usw. verwendet werden.
Die Erläuterungen 1 betreffen den Betrieb der Vorrich­ tung zum Erzeugen geladener Teilchen als eine Elektronen­ quelle.
Fig. 4 zeigt den Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 1 als eine Elektronenquelle. Damit in der Vorrichtung nach Fig. 1 Elektronen emittiert werden, erzeugt der das elektrische Feld ausbildende Spannungsversorgungsabschnitt 120 ein starkes elektrisches Feld, in welchem die Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen negativ und die Abzugselektrode 110 für geladene Teilchen positiv geladen ist, wie in Fig. 4 gezeigt ist.
Anschließend wird das Ventil 134 geöffnet, um durch den Versorgungsanschluss 132 den Ausgangsstoff dem Ausgangs­ stoff-Speicher 130 zuzuführen. Wie in dem Fall der Ionen­ quelle wird somit der Ausgangsstoff in dem Ausgangsstoff- Speicher 130 vom Basisende zum freien Ende der Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen durch den Ausgangs­ stoffkanal 108 in der Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen gefördert.
Der zum freien Ende der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen geförderte Ausgangsstoff verringert die Austritts­ arbeit, welche die Elektronenemission unter dem zuvorge­ nannten elektrischen Feld bei der von der Heizeinrichtung 105 eingestellten Temperatur im Falle der Elektronenerzeu­ gung erhöht, um Elektronen zu generieren. Die erzeugten Elektronen werden dann durch die Abzugselektrode 110 für geladene Teilchen beschleunigt, um einen von der Vorrich­ tung zum Erzeugen geladener Teilchen zu emittierenden Elektronenstrahls zu erzeugen. Darüber hinaus kann die Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen die Elektronen aufgrund der verringerten Austrittsarbeit des Ausgangs­ stoffes sogar bei einem verringerten elektrischen Feld emittieren.
Im Stand der Technik wurde die Stromdichte des Elektronen­ strahls in Abhängigkeit von dem Material der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen bestimmt, da die Elektronen un­ mittelbar von der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen emittiert werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel können die Elektronen bei der verringerten Austrittsarbeit des Ausgangsstoffes an der Spitze der Elektrode einfacher emittiert werden. Somit kann das Material der Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teil­ chen Kohlenstoff sein, welcher eine hohe Zerstörungsbe­ ständigkeit gegenüber verschiedenen gasförmigen Ausgangs­ stoffen besitzt. Der Kohlenstoff hat eine hohe Austritts­ arbeit von 4,5 (V). Die Elektrode nach dem Stand der Tech­ nik zum Erzeugen geladener Teilchen ist im Allgemeinen aus Wolfram (W) gefertigt. Wolfram hat eine Austrittsar­ beit, die annähernd der von Kohlenstoff gleich ist, näm­ lich 4,54 (V). Wolfram (W) liefert eine Stromdichte bei einer thermischen Elektronenemission von 2600 A/m2 bei einer Kathodentemperatur von 2500 K.
Andererseits kann Barium/Strontium (Ba/SrO), dessen Aus­ trittsarbeit bei 0,95 (V) liegt, eine Stromdichte bei der thermischen Elektronenemission liefern, die der von Wolfram (W) gleicht, allerdings bei einer Kathodentempera­ tur um 900 K, welche ungefähr 1600 K geringer ist, als die von Wolfram (W).
Die gewünschte Eigenschaft der Elektronenquelle besteht in der Emission von Elektronen einer vorgegebenen Energie als Elektronenstrahl, welcher eine erhöhte Stromdichte und eine verbesserte Kohärenz aufweist. Durch dieses Ausführungs­ beispiel kann ein Emitter mit hoher Intensität realisiert werden, indem die Stromdichte des Elektronenstrahls erhöht wird.
Der in der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen dieses Ausführungsbeispiels als Material verwendete Kohlenstoff (C) hat einen höheren Schmelzpunkt und ist hinsichtlich der Zerstörungsbeständigkeit gegenüber verschiedenen Gasen überlegen. Allerdings hat Kohlenstoff eine Austrittsarbeit von 4,5 (V), welche nahe an der von Wolfram (W) liegt. Da­ mit Kohlenstoff in dem Hoch-Intensitäts-Emitter zu verwen­ den ist, war eine erhöhte Feldintensität, eine feinere Elektrodenspitze oder eine höhere Temperatur erforderlich.
Durch dieses Ausführungsbeispiel kann ein Hoch-Intensitäts- Emitter realisiert werden, indem die Elektrodenoberfläche mit einem Ausgangsmaterial beschichtet ist, welches eine Austrittsarbeit aufweist, die geringer ist, als die des die Elektroden formenden Kohlenstoffs, wie Barium (Ba) mit einer Austrittsarbeit von 2,11 (V) oder Cäsium (Cs) mit einer Austrittsarbeit von 1,81 (V).
Im Stand der Technik wurde manchmal eine Elektrode aus Wolfram (W) verwendet, deren Oberfläche mit einem Material beschichtet war, das eine geringere Austrittsarbeit besaß. So kann beispielsweise die aus W/Ba gebildete Elektrode, welche durch Beschichten von Wolfram (W) mit Barium (Ha) ausgebildet worden ist, eine Austrittsarbeit mit 1,56 (V) besitzen. In gleicher Weise kann die Austrittsarbeit von W/Cs (Cesium) bei 1,36 (V), die Austrittsarbeit von W/Th (Thorium) bei 2,63 (V), die Austrittsarbeit von W/Y (Ytt­ rium) bei 2,70 (V) und die Austrittsarbeit von W/Zr (Zir­ kon) bei 3,14 (V) liegen. Allerdings mussten diese Elek­ troden durch neue dann ersetzt werden, wenn das Beschich­ tungsmaterial mit geringerer Austrittsarbeit verbraucht worden war.
Die Geschwindigkeit des durch den Ausgangsstoffkanal 108 passierenden Ausgangsstoffes kann justiert werden, indem zusätzlich zu dem Versorgungsdruck des Ausgangsstoffes, dem Druck in der Kammer und Ähnlichem, wie bei der Ionenquelle, die Temperatur in der Heizeinrichtung 150 eingestellt wird.
Eine derartige Elektronenquelle kann für ein Rasterelektro­ nenmikroskop (REM), eine Elektronenstrahl-Zeicheneinrich­ tung, eine Belichtungseinrichtung, einen Röntgenmikroana­ lyseapparat und Ähnliches verwendet werden.
Betrieb der Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen als eine Ionen-/Elektronenquelle
Die in den Fig. 3 und 4 gezeigten Betriebsarten können ab­ wechselnd durchgeführt werden. In einem derartigen Fall kann die Richtung des elektrischen Feldes zumindest umge­ kehrt werden. Der zugeführte Ausgangsstoff kann, sofern notwendig, gewechselt, oder muß nicht notwendigerweise gewechselt werden.
Der Stand der Technik erfordert die Verwendung einer Turbo­ molekularpumpe oder ähnlichem, um den Druck zwischen einem Innenkammerdruck von 10-2 Pa, wenn die Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen als Ionenquelle verwendet wird, und einem Druck von 10-8 Pa, wenn die Vorrichtung als Elektronenquelle verwendet wird, zu ändern. Bei diesem Ausführungsbeispiel bleibt der Innenkammerdruck im Wesent­ lichen unverändert, auch wenn die Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen als Ionenquelle oder als Elektronenquel­ le eingesetzt wird. Anders gesagt, wird die Abmessung des Ausgangsstoffkanals 108 in der Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen so gewählt, dass der Druck am freien En­ de der Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen im We­ sentlichen nicht variiert. Aus diesem Grund erfordert die­ ses Ausführungsbeispiel keinerlei großdimensionierte Pumpe, wie im Stand der Technik üblich.
Erläuterung 2 betreffend den Betrieb der Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen als eine Elektronenquelle.
In dem Fall, in dem eine einzige Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen als Ionen- und Elektronenquelle verwen­ det wird, ist der Betrieb der Elektronenquelle nicht auf den unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschriebenen Betrieb be­ schränkt.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung, in welchem die Vorrichtung zum Erzeugen ge­ ladener Teilchen als eine Elektronenquelle betrieben wird.
Die Bildung des elektrischen Feldes in Fig. 5 entspricht, mit der Ausnahme, dass die Zuführung des Ausgangsstoffes unterbrochen ist, der in Fig. 4 gezeigten. In diesem Fall werden die Elektronen von der Elektrode 100 zum Er­ zeugen geladener Teilchen selbst emittiert, welche als Koh­ lenstoffröhrchen 102 ausgebildet ist.
In diesem Fall wurde die Elektrode 100 zum Erzeugen gela­ dener Teilchen zuvor durch die Heizeinrichtung 150 erwärmt, um den Ausgangsstoff, welcher an ihrem freien Ende anhaf­ tet, zu entfernen. Auf diese Weise wird die Oberfläche der Eletrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen für eine sau­ bere Elektronenemission gereinigt.
Da der Druck um die Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen sich zumindest annähernd nicht verändert, erfor­ dert auch dieses Ausführungsbeispiel keine großdimensio­ nierte Pumpe.
Wird die Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen als Elektronenquelle verwendet, kann die Elektrode 100 zum Er­ zeugen geladener Teilchen weiterhin durch die Heizeinrich­ tung 150 erwärmt werden. Somit kann die Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen als eine Thermofeld-Emissions- Elektronenquelle verwendet werden.
Im Vergleich zu dem Fall in Fig. 4, bei welchem verschiede­ ne Ausgangsstoffe für die Ionenquelle und für die Elektro­ nenquelle verwendet werden, kann in dem in Fig. 5 gezeigten Fall dieser Zweck noch einfacher durch Öffnen/Schließen des Ventils 134 erreicht werden. In dem Fall nach Fig. 4, bei dem verschiedene Ausgangsstoffe in den Ionen- und Elektro­ nen-Erzeugemodi verwendet werden, ist es beispielsweise erforderlich, den Ausgangsstoff-Speicher 130 zu entleeren, um ein Vermischen der Ausgangsstoffe zu verhindern.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die zuvor beschrie­ benen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann in jeg­ licher anderen Form ausgeführt werden, ohne dabei vom Grundgedanken und Zweck der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise ist der Aufbau der Elektrode 100 zum Erzeu­ gen geladener Teilchen nicht auf den nach Fig. 2 be­ schränkt, sondern kann jegliche andere Form annehmen, so­ fern sie einen Ausgangsstoffkanal 108 aufweist.
Die gesamte Anordnung der Vorrichtung zum Erzeugen gelade­ ner Teilchen, so wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, kann durch die nach Fig. 6 ersetzt werden. Bezugnehmend auf Fig. 6 hält ein Isolator 210 einen hohlen Ausgangsstoff-Spei­ cher 200, welcher in gleicher Weise wie ein Haarspitzen­ filament-Abschnitt, der in der bestehenden Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen als Quelle verwendet worden ist, ausgebildet ist. Der hohe Ausgangsstoff-Speicher 200 hat ein Ende 202, zu dem von einem Ausgangsstoff-Versor­ gungsanschluss 220 der Ausgangsstoff zugeführt wird, und ein anderes abgedichtetes Ende 204. Der Ausgangsstoff wird in einen Kanal 206 geleitet.
Wie in Fig. 7 gezeigt, die eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts A in Fig. 6 darstellt, hält der Kanal 206 die Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teilchen, welche durch ein Kohlenstoffröhrchen oder Ähnliches gebildet ist, bei­ spielsweise mit Hilfe einer plattierten Schicht oder eines leitfähigen Klebstoffs 230. Sogar der Aufbau nach Fig. 6 kann aus dem in das freie Ende der Elektrode 100 zum Erzeu­ gen geladener Teilchen durch den Kanal 206 eingeleitete Ausgangsmaterial Ionen emittieren. Die Vorrichtung nach Fig. 6 kann, wie die Vorrichtung nach Fig. 1, als eine Elek­ tronenquelle eingesetzt werden. Der Ausgangsstoff-Speicher 200, welcher die Elektrode 100 zum Erzeugen geladener Teil­ chen trägt, kann aus einem Metall (Wolfram oder Ähnlichem) oder Kohlenstoff ausgebildet und für einen direkten Elek­ tronenstrom zum Erwärmen der Elektrode 100 zum Erzeugen ge­ ladener Teilchen verwendet werden.

Claims (17)

1. Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen, mit:
einer Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen, welche einen durch diese ausgebildeten Ausgangs­ stoffkanal aufweist, wobei der Ausgangsstoffkanal vom Basisende zum freien Ende der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen verläuft;
einem mit dem Basisende verbundenen Ausgangsstoff- Versorgungsabschnitt, welcher dem Ausgangsstoff­ kanal der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen einen Ausgangsstoff zuführt; und
einer Abzugselektrode für geladene Teilchen, welche ein elektrisches Feld zwischen der Abzugselektrode für geladene Teilchen und dem freien Ende der Elek­ trode zum Erzeugen geladener Teilchen erzeugt.
2. Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen nach An­ spruch 1, wobei ein Ion von dem am freien Ende der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen befindlichen Ausgangsstoff durch Erzeugen des elektrischen Feldes, in welchem die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen positiv und die Abzugselektrode für die geladenen Teilchen negativ ist, emittiert wird.
3. Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen nach An­ spruch 1, wobei ein Elektron von dem am freien Ende der Elektro­ de zum Erzeugen geladener Teilchen befindlichen Aus­ gangsstoff durch Erzeugen eines elektrischen Feldes, in welchem die Elektrode zum Erzeugen geladener Teil­ chen negativ und die Abzugselektrode für die geladenen Teilchen positiv ist, emittiert wird.
4. Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen nach An­ spruch 1, wobei wahlweise entweder ein Ion oder ein Elektron von dem Ausgangsstoff am freien Ende der Elektrode zum Er­ zeugen geladener Teilchen emittiert wird, in dem wahl­ weise ein erstes elektrisches Feld, in welchem die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen positiv und die Abzugselektrode für die geladenen Teilchen negativ ist, und ein zweites elektrisches Feld zu erzeugen ist, in welchem die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen negativ und die Abzugselektrode für die ge­ ladenen Teilchen positiv ist.
5. Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen nach An­ spruch 3 oder 4, wobei, wenn Elektronen von dem Ausgangsstoff emittiert werden, der Ausgangsstoff-Versorgungsabschnitt einen Ausgangsstoff zuführt, dessen Austrittsarbeit geringer ist als die Austrittsarbeit des Materials der Elek­ trode zum Erzeugen geladener Teilchen.
6. Vorrichtung zum Erzaugen geladener Teilchen, mit:
einer Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen, welche einen durch diese ausgebildeten Ausgangs­ stoffkanal aufweist, wobei der Ausgangsstoffkanal vom Basisende zum freien Ende der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen verläuft;
einem mit dem Basisende verbundenen Ausgangsstoff-Ver­ sorgungsabschnitt, welcher dem Ausgangsstoffkanal der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen einen Aus­ gangsstoff zuführt;
einer Abzugselektrode für geladene Teilchen, welche ein elektrisches Feld zwischen der Abzugselektrode für geladene Teilchen und dem freien Ende der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen erzeugt;
einem ein elektrisches Feld bildenden Spannungsversor­ gungsabschnitt, welcher in einem Ionenerzeugungsmodus ein erstes elektrisches Feld, in welchem die Elek­ trode zum Erzeugen geladener Teilchen positiv und die Abzugselektrode für die geladenen Teilchen negativ ist, und in einem Elektronenerzeugungsmodus ein zwei­ tes elektrisches Feld erzeugt, in welchem die Elek­ trode zum Erzeugen geladener Teilchen negativ und die Abzugselektrode für die geladenen Teilchen positiv ist; und
einem Ausgangsstoff-Versorgungsunterbrechungsab­ schnitt, welcher im Elektronenerzeugungsmodus die Zufuhr von Ausgangsstoff aus dem Ausgangsstoff-Ver­ sorgungsabschnitt unterbricht.
7. Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die ferner einen Temperaturüberwachungsabschnitt um­ fasst, welcher die Temperatur der Elektrode zum Erzeu­ gen geladener Teilchen steuert.
8. Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen einen rohrförmigen Aufbau aufweist.
9. Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen nach Anspruch 8, wobei die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen einen mehrwandigen rohrförmigen Aufbau hat.
10. Vorrichtung zum Erzeugen geladener Teilchen nach An­ spruch 8 oder 9, wobei die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen durch ein Kohlenstoffröhrchen gebildet ist.
11. Verfahren zum Erzeugen geladener Teilchen, mit den Schritten:
Zuführen eines Ausgangsstoffes an die Spitze einer Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen durch einen in der Elektrode zum Erzeugen geladener Teil­ chen ausgebildeten Ausgangsstoffkanal; und
Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen der Elek­ trode zum Erzeugen geladener Teilchen und einer Ab­ zugselektrode für die geladenen Teilchen und Erzeu­ gen von geladenen Teilchen aus dem Ausgangsstoff an der Spitze der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen.
12. Verfahren zum Erzeugen geladener Teilchen nach An­ spruch 11, wobei ein Ion aus dem Ausgangsstoff an der Spitze der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen emit­ tiert wird, indem ein elektrisches Feld erzeugt wird, in welchem die Elektrode zum Erzeugen geladener Teil­ chen positiv und die Abzugselektrode für die gelade­ nen Teilchen negativ ist.
13. Verfahren zum Erzeugen geladener Teilchen nach An­ spruch 11, wobei ein Elektron aus dem Ausgangsstoff an der Spitze der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen emittiert wird, indem ein elektrisches Feld erzeugt wird, in welchem die Elektrode zum Erzeugen gelade­ ner Teilchen negativ und die Abzugselektrode für die geladenen Teilchen positiv ist.
14. Verfahren zum Erzeugen geladener Teilchen nach An­ spruch 11, wobei wahlweise ein Ion oder Elektron aus dem Aus­ gangsstoff an der Spitze der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen emittiert wird, indem wahlweise ein erstes elektrisches Feld, bei welchem die Elek­ trode zum Erzeugen geladener Teilchen positiv und die Abzugselektrode für die geladenen Teilchen negativ ist, und ein zweites elektrisches Feld erzeugt wird, bei welchem die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen negativ und die Abzugselektrode für die ge­ ladenen Teilchen positiv ist.
15. Verfahren zum Erzeugen geladener Teilchen nach An­ spruch 13 oder 14, wobei, wenn ein Elektron aus dem Ausgangsstoff emit­ tiert wird, der Ausgangsstoff-Versorgungsabschnitt einen Ausgangsstoff zuführt, dessen Austrittsarbeit geringer ist als die Austrittsarbeit des Materials der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen.
16. Verfahren zum Erzeugen geladener Teilchen, bei dem der Betriebsmodus zwischen einem Ionenerzeugungs­ modus und einem Elektronenerzeugungsmodus wechsel­ bar ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
in dem Ionenerzeugungsmodus an die Spitze einer Elektrode zum Erzeugen gela­ dener Teilchen einen Ausgangsstoff durch einen in der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen aus­ gebildeten Ausgangsstoffkanal zuzuführen; und
ein erstes elektrisches Feld zu erzeugen, bei wel­ chem die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen positiv und die Abzugselektrode für die geladenen Teilchen negativ ist, um ein Ion aus dem an der Spitze der Elektrode zum Erzeugen geladener Teil­ chen befindlichen Ausgangsstoff zu emittieren, in dem Elektronenerzeugungsmodus die Ausgangsstoffzuführung von dem Ausgangsstoffver­ sorgungsabschnitt zu unterbrechen; und
ein zweites elektrisches Feld zu erzeugen, bei wel­ chem die Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen negativ und die Abzugselektrode für die geladenen Teilchen positiv ist, um ein Elektron aus dem an der Spitze der Elektrode zum Erzeugen geladener Teilchen befindlichen Ausgangsstoff zu emittieren.
17. Verfahren zum Erzeugen geladener Teilchen nach An­ spruch 16, das zumindest während des Ionenerzeugungsmodus oder des Elektronenerzeugungsmodus ferner einen Schritt zum Überwachen der Temperatur der Elektrode zum Er­ zeugen geladener Teilchen umfasst.
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