DE112010002767T5

DE112010002767T5 - Kanone für geladene Teilchen und Vorrichtung für einen Strahl geladener Teilchen

Info

Publication number: DE112010002767T5
Application number: DE112010002767T
Authority: DE
Inventors: Boklae Cho; Shigeru Kokubo; Hisaya Murakoshi
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2012-10-18
Also published as: WO2011001611A1; JP2011014244A; US20120104272A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Kanone für geladene Teilchen mit einer Quelle (1) für geladene Teilchen; einer Extraktionselektrode (2); einer Öffnung (14), durch die der Strahl geladener Teilchen läuft; und mit einer Barriere in dem Bereich, der durch eine Verbindung der Quelle der geladenen Teilchen mit der Öffnung definiert wird, wobei die Barriere dazu dient, in einer unteren Vakuumkammer vorhandene Moleküle daran zu hindern, durch die Öffnung zu laufen und an der Quelle für geladene Teilchen adsorbiert zu werden. Dadurch werden in der unteren Vakuumkammer mit einem schlechteren Vakuum vorhandene Moleküle nicht an der Quelle für geladene Teilchen adsorbiert, so daß das Stromrauschen verringert wird. Es wird damit ein stabiler Betrieb der Kanone für geladene Teilchen und einer Vorrichtung für einen Strahl geladener Teilchen mit der Kanone für geladene Teilchen möglich.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kanone für geladene Teilchen und eine Vorrichtung für einen Strahl geladener Teilchen und insbesondere eine Elektronenkanone mit einem Vakuum, das gleich oder besser ist als ein Ultrahochvakuum, und eine Elektronenstrahlvorrichtung mit der Elektronenkanone.
Stand der Technik
Vorrichtungen für einen Strahl geladener Teilchen benötigen eine Quelle für geladene Teilchen, die einen Strahl geladener Teilchen erzeugt. Ein Elektronenmikroskop, ein Beispiel für eine Vorrichtung für einen Strahl geladener Teilchen, enthält als Quelle für geladene Teilchen eine Elektronenkanone, etwa eine thermische Elektronenkanone, eine thermische Feldemissions-Elektronenkanone, eine Schottky-Elektronenkanone oder eine Feldemissions-Elektronenkanone. Im Elektronenmikroskop wird der von der Elektronenkanone emittierte Elektronenstrahl beschleunigt, der beschleunigte Elektronenstrahl wird durch eine Elektronenlinse dünner gemacht, eine Probe wird bestrahlt und mit dem dünnen Strahl als primärem Elektronenstrahl abgetastet, und die von der Probe rückgestreuten oder durch die Kollision mit den Primärelektronen erzeugten Sekundärelektronen werden erfaßt und daraus ein Abbild erstellt.
Bei einer Feldemissions-Elektronenkanone, die bei Raumtemperatur betrieben wird, wird als Material für die Elektronenquelle Wolfram verwendet. Bei einer Schottky-Elektronenkanone, die bei einer hohen Temperatur von 1500 K oder mehr betrieben wird, wird Zirkondioxid enthaltendes Wolfram verwendet.
Es ist bekannt, daß, wenn das in einem Vakuumbehälter befindliche Restgas an der Oberfläche der Elektronenquelle adsorbiert wird, der von der Elektronenquelle emittierte Strom instabil wird. Die Instabilität des emittierten Stroms (das Stromrauschen) wird mit zunehmender Menge an adsorbiertem Gas immer stärker, wobei die Elektronenquelle bei einem abrupten Anstieg des Stroms sogar zerstört werden kann.
Damit die Elektronenquelle über einen langen Zeitraum einen Elektronenstrahl mit einem sehr guten Strom abgeben kann, ist es erforderlich, die Umgebung der Elektronenquelle auf einem Vakuum (10^–7 bis 10^–8 Pa) zu halten, das gleich oder besser ist als ein Ultrahochvakuum, damit die Menge an adsorbiertem Gas gering bleibt. Wie es in den Patent-Druckschriften 1 und 2 beschrieben ist, wurde dafür ein Verfahren zum differentiellen Abpumpen entwickelt.
Zitierliste
Patentliteratur

Patent-Druckschrift 1: JP-Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2000-195454 A
Patent-Druckschrift 2: JP-Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2007-080667 A

Nicht-Patent-Literatur

Nicht-Patent-Druckschrift 1: S. Yamamoto et al., Surface Science, Bd. 61 (1976), Seite 535.
Nicht-Patent-Druckschrift 2: S. Yamamoto et al., Surface Science, Bd. 71 (1978), Seite 191.
Nicht-Patent-Druckschrift 3: B. Cho et al., Applied Physics Letters, Bd. 91 (2007), Seite 012105.
Nicht-Patent-Druckschrift 4: A. K. Geim und S. Novoselov, Nature Materials, Bd. 6 (2007), Seite 183.
Nicht-Patent-Druckschrift 5: Changgu Lee et al., Science, Bd. 321, 385 (2008).

Darstellung der Erfindung
Technisches Problem
Bei den in der Zitierliste genannten Erfindungen sind das vordere Ende der Elektronenkanone und eine Öffnung zum differentiellen Abpumpen in einer geraden Linie angeordnet. Es hat sich gezeigt, daß Moleküle aus einer weiter weg liegenden Vakuumkammer mit einem schlechteren Vakuum durch die Öffnung laufen und an der Elektronenkanone adsorbiert werden, mit der Folge von Stromrauschen.
Angesichts dieses Problems hat die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, die Abgabe von primären geladenen Teilchen von der Quelle für geladene Teilchen für einen langen Zeitraum zu stabilisieren, um damit bei einer Vorrichtung für einen Strahl geladener Teilchen einen stabilen Betrieb zu ermöglichen.
Lösung des Problems
Zur Lösung der obigen Aufgabe umfaßt die vorliegende Erfindung eine Kanone für geladene Teilchen mit einer Quelle für die geladenen Teilchen und mit einer Extraktionselektrode zum Extrahieren des Strahls geladener Teilchen von der Quelle für die geladenen Teilchen, wobei die Kanone für geladene Teilchen mit einer Pumpe verbunden ist, die Luft aus dem Inneren der Kanone für geladene Teilchen absaugt, und wobei die Kanone für geladene Teilchen des weiteren eine Öffnung aufweist, durch die der Strahl geladener Teilchen läuft, und eine Barriere umfaßt, die in einem Bereich vorgesehen ist, der durch eine Verbindung der Quelle für die geladenen Teilchen mit der Öffnung festgelegt wird.
Vorteile der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung kann verhindert werden, daß aus der weiter weg liegenden Vakuumkammer mit dem schlechteren Vakuum Moleküle durch die Öffnung laufen und an der Quelle für die geladenen Teilchen adsorbiert werden, so daß das Stromrauschen geringer ist. Dadurch wird ein stabiler Betrieb der Vorrichtung für einen Strahl geladener Teilchen möglich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Ultrahochvakuum-Elektronenkanone.
2 zeigt den Aufbau einer Ultrahochvakuum-Elektronenkanone.
3 zeigt die Beziehung zwischen einer Elektronenquelle und den Öffnungen von Vakuumkammern.
4 zeigt graphisch die Änderung des von einer Feldemissions-Elektronenquelle abgegebenen Stroms mit der Zeit (Elektronenkanonenventil geschlossen).
5 zeigt graphisch die Änderung des von der Feldemissions-Elektronenquelle abgegebenen Stroms mit der Zeit (Elektronenkanonenventil offen).
6 zeigt die Änderung des von der Feldemissions-Elektronenquelle abgegebenen Stroms mit der Zeit.
7 zeigt jeweils einen Aufbau der erfindungsgemäßen Ultrahochvakuum-Elektronenkanone.
8 zeigt einen Aufbau der erfindungsgemäßen Ultrahochvakuum-Elektronenkanone mit einer Graphen-Schicht.
9 zeigt jeweils die Beziehung zwischen einer erfindungsgemäßen Elektronenkanone und Öffnungen.
Beschreibung der Ausführungsformen
Vor der Beschreibung von Ausführungsformen wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung erläutert.
Dazu wird die Feldemissions-Elektronenkanone der 2 im Vergleich mit der vorliegenden Erfindung untersucht.
Die Feldemissions-Elektronenkanone der 2 enthält eine Elektronenquelle 1 und eine Extraktionselektrode 2. An die Extraktionselektrode 2 wird eine Extraktionsspannung angelegt. Aufgrund der Extraktionsspannung werden von der Elektronenquelle 1 Elektronen emittiert. Die emittierten Elektronen werden primärer Elektronenstrahl genannt. Der primäre Elektronenstrahl wird von einer Beschleunigungselektrode beschleunigt. In der 2 dient die Trennwand zwischen der Vakuumkammer A 4 und der Vakuumkammer B 5 als Beschleunigungselektrode.
Das Innere der Vakuumkammer A 4, der Vakuumkammer B 5 und einer Vakuumkammer C 6 werden durch Aufheizen ausgegast, damit der Innenraum der Elektronenkanonenkammer auf ein Ultrahochvakuum gebracht werden kann. Die in diesen Vakuumkammern angeordneten Deflektoren undsoweiter sind ultrahochvakuumbeständig (es sind Materialien, die aufgeheizt werden können und die nur wenig Gas abgeben).
Bei dem vorliegenden Beispiel ist die Elektronenkanonenkammer in eine Anzahl von Vakuumkammern aufgeteilt, und mittels Ionenpumpen erfolgt ein differentielles Abpumpen. Die einzelnen Vakuumkammern sind miteinander über Öffnungen verbunden, die jeweils einen Durchmesser von 1 mm oder weniger haben und durch die der Elektronenstrahl verläuft. Die Durchlässigkeit dieser Öffnungen (das heißt wie leicht Gas durch die Öffnungen strömt) ist gering, so daß das jeweilige Vakuum oberhalb und unterhalb der einzelnen Öffnungen einen Unterschied um zwei Größenordnungen aufweist.
Bei dem Aufbau der 2 sind die Elektronenquelle 1 und die Öffnungen der einzelnen Vakuumkammern in einer geraden Linie angeordnet (in der Achse des Elektronenstrahls), und die bezüglich der Elektronenquelle 1 am weitesten davor liegende Öffnung C 14 umfaßt relativ zur Elektronenquelle 1 einen Halbwinkel θ (oder Raumwinkel α = πθ²). Gasmoleküle, die von der unteren Vakuumkammer D 8 mit dem schlechteren Vakuum unter einem Winkel durch die Öffnungen laufen, der gleich oder kleiner als der Halbwinkel θ ist, treffen auf die Elektronenquelle 1 und werden dort adsorbiert. Im Ultrahochvakuum ist es äußerst unwahrscheinlich, daß die Gasmoleküle an anderen Gasmolekülen gestreut werden, so daß sie sich geradlinig auf die Elektronenquelle 1 zu bewegen und dort adsorbiert werden. Ein Experiment beweit, daß diese Moleküle Stromrauschen verursachen.
Die Anzahl der Gasmoleküle in der Vakuumkammer A 4 ist bei der Temperatur T und dem Druck P_A gleich n_A = P_A·kT pro Volumeneinheit, und die Zahl der Moleküle, die die Oberfläche der Elektronenquelle erreichen, ist pro Zeiteinheit und pro Volumeneinheit gleich J_A = 1/4·n_A·v_A, wobei k die Boltzmann-Konstante ist und v_A die mittlere Geschwindigkeit der Moleküle.
Der Druck P_A in der Vakuumkammer A 4, in der sich die Elektronenquelle befindet, liegt im Bereich von 10^–8 Pa, und in einigen zehn Minuten lagert sich auf der Oberfläche der Elektronenquelle eine Schicht der Gasmoleküle ab. Der Druck P_D in der Vakuumkammer D 8 unterhalb der Elektronenkanone liegt im Bereich von 10^–4 Pa oder mehr, und die Zahl der Moleküle, die unter dem Halbwinkel θ durch die Öffnung C 14 laufen und die Elektronenquelle 1 erreichen, ist pro Zeiteinheit und Flächeneinheit gleich J_D = 1/8·n_D·v_D·θ²·θ² liegt im Bereich von 10^–5, n_D ist jedoch gleich 10⁴ mal n_A oder mehr. Entsprechend ist die Zahl J_D der Gasmoleküle, die durch die Öffnung C 14 laufen und die Elektronenquelle 1 erreichen, gleich oder mehr als ein Zehntel der Anzahl JA, die sich aus dem Restgas in der Vakuumkammer A 4 ergibt.
Außerdem spielt die Art des Gases eine Rolle. Die Vakuumkammer A 4 wird einem Ausheizen bei gewöhnlich 150°C oder mehr unterzogen, und die Hauptkomponente des dabei übrigbleibenden Restgases besteht aus Wasserstoffmolekülen. Die Vakuumkammer D 8 enthält dagegen Elemente, die keiner großen Hitze ausgesetzt werden können, etwa eine Magnetlinse, und kann daher keinem Ausheizen unterzogen werden. Die Hauptkomponenten des Restgases in der Vakuumkammer D 8 bestehen daher aus Wassermolekülen, Kohlendioxidmolekülen, Kohlenmonoxidmolekülen und dergleichen. Es hat sich herausgestellt, daß diese Moleküle ein großes Stromrauschen verursachen, wenn sie an der Elektronenquelle adsorbiert werden. Die Wasserstoffmoleküle verursachen kaum Rauschen (Nicht-Patent-Druckschriften 1 und 2), und Untersuchungen der Erfinder der vorliegenden Erfindung Erfindung haben ergeben, daß die Ursache für das Stromrauschen diejenigen Moleküle sind, die durch die Öffnungen laufen und an der Elektronenquelle 1 adsorbiert werden.
Im folgenden wird dies näher erläutert.
An der Öffnung zwischen der Vakuumkammer C 6 und der Vakuumkammer D 8 wird ein Mechanismus für ein Elektronenkanonenventil 7 angebracht. Wenn das Elektronenkanonenventil 7 geöffnet ist, laufen von der unteren Vakuumkammer D 8 Gasmoleküle durch die Öffnung C 14 in die Vakuumkammer C 6 der Elektronenkanone, und der Druck P_C in der Vakuumkammer C 6 der Elektronenkanone steigt vom Bereich 10^–8 Pa in den Bereich 10^–6 Pa an. Durch das differentielle Abpumpen wird der Druck P_A in der Vakuumkammer A 4 und der Druck P_B in der Vakuumkammer B 5 im Bereich von 10^–8 Pa gehalten, und vor allem der Druck P_A in der Vakuumkammer A 4 ändert sich durch das Öffnen/Schließen des Elektronenkanonenventils 7 nicht. Wie in den 4 und 5 gezeigt, ändert sich die Abnahmezeit τ des emittierten Stroms durch das Öffnen/Schließen des Ventils nicht, wodurch bestätigt wird, daß das Öffnen/Schließen des Ventils fast keinen Einfluß auf den Druck um die Elektronenquelle in der Vakuumkammer A 4 der Elektronenkanone hat.
Die Abnahmezeit τ des emittierten Stroms und der Druck P stehen in einer inversen Beziehung zueinander, und τ·P ist konstant (Nicht-Patent-Druckschrift 3).
Das Öffnen/Schließen des Ventils 7 hat jedoch einen großen Einfluß auf das Stromrauschen. Wie in der 6 gezeigt, beträgt das Stromrauschen bei geschlossenem Ventil 7 drei Stunden bis fünf Stunden nach einer Blitzverdampfung etwa 1%. Bei offenem Ventil steigt das Stromrauschen dagegen auf 5% und mehr an, das heißt auf das Fünffache und mehr.
Dadurch wird bewiesen, daß die Ursache für das Ansteigen des Stromrauschens diejenigen Moleküle sind, die durch die Öffnungen laufen und an der Elektronenquelle adsorbiert werden.
Daher wird bei der vorliegenden Erfindung in dem Bereich, der durch eine Verbindung der Elektronenquelle 1 mit der Öffnung der unteren Vakuumkammer D 8 mit dem schlechteren Vakuum definiert wird, eine Barriere angeordnet. Dadurch wird verhindert, daß Gasmoleküle unter einem Winkel, der gleich oder kleiner ist wie der Halbwinkel θ, durch die Öffnungen von der unteren Vakuumkammer D 8 mit dem schlechteren Vakuum durch die Öffnungen laufen und an der Elektronenquelle 1 adsorbiert werden, wodurch das Stromrauschen verringert werden kann.
Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Ausführungsform 1:
Die 1 ist eine schematische Ansicht des Aufbaus einer Ultrahochvakuum-Elektronenkanone bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Den Komponenten in der 2 entsprechende Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Ultrahochvakuum-Elektronenkanone der vorliegenden Erfindung umfaßt eine optische Achse ZS 23 der Elektronenquelle, auf der die Feldemissions-Elektronenquelle 1 und die Blendenöffnung 3 der Extraktionselektrode 2 angeordnet sind; und eine darunter liegende optische Achse ZB 24, auf der die Öffnung C 14 liegt.
Wie in der 1 und der 7(a) gezeigt, schneidet bei der Elektronenkanone der vorliegenden Erfindung die optische Achse ZS 23 der Elektronenquelle, auf der die Elektronenquelle 1 und die Blendenöffnung 3 der Extraktionselektrode 2 angeordnet sind, die optische Achse ZB 24, auf der die Öffnung C 14 liegt, unter einem schiefen Winkel. Gasmoleküle, die von der unteren Vakuumkammer 8 durch die Öffnung C 14 laufen und geradlinig in die Elektronenkanone eintreten, können daher die Extraktionselektrode 3 nicht passieren und nicht mehr an der Elektronenquelle 1 adsorbiert werden. In diesem Fall wirken die Extraktionselektrode 2 und die Trennwand zwischen der Vakuumkammer A 4 und der Vakuumkammer B 5 jeweils als Barriere.
Wie in den 1 und 7(a) gezeigt, ist am Schnittpunkt der optischen Achse ZS 23 der Elektronenquelle mit der darunter liegenden optischen Achse ZB 24 ein Deflektor 15 angebracht. Der Umlenkpunkt 26 des Elektronenstrahls befindet sich in der Ultrahochvakuumkammer mit einem Druck im Bereich von 10^–7 bis 10^–8 Pa.
Der Deflektor 15, der den Elektronenstrahl umlenkt, kann vom elektrostatischen Typ oder vom Magnetfeldtyp sein. Wenn der Deflektor in der Vakuumkammer angeordnet ist, ist er ultrahochvakuumbeständig und wird dem Ausheizen und dergleichen unterzogen. Bei einem Deflektor vom elektrostatischen Typ befindet sich der Deflektor 15 in der Vakuumkammer und muß Ausheiztemperaturen von 100°C und höher aushalten. Bei einer Magnetfeldlinse kann der Deflektor 15 außerhalb der Vakuumkammer B 5 und der Vakuumkammer C 6 angeordnet werden, so daß von der Magnetfeldlinse abgegebenes Gas kein Problem darstellt. Da an der Elektronenkanone eine Spule für das Magnetfeld angeordnet wird, ist es von Vorteil, wenn die Spule für das Magnetfeld eine Ausheiztemperatur von 100°C und mehr aushalten kann.
Der von der Elektronenquelle 1 auf der optischen Achse ZS 23 der Elektronenquelle emittierte Elektronenstrahl wird vom Deflektor 15 so umgelenkt, daß die Achse des Elektronenstrahls mit der unteren optischen Achse ZB 24 zusammenfällt.
Ausführungsform 2:
In der 7(b) verläuft die optische Achse ZS 23 der Elektronenquelle, auf der die Elektronenquelle 1 und die Blendenöffnung 3 der Extraktionselektrode 2 angeordnet sind; parallel zur darunterliegenden optischen Achse ZB 24, auf der die Öffnung C 14 liegt, wobei diese Achsen von einem Deflektor 16 und einem Deflektor 17 so gegeneinander verschoben werden, daß sie nicht zusammenfallen. Wenn Gasmoleküle von der Vakuumkammer D8 durch die Öffnung C 14 laufen und auf geradem Weg in die Elektronenkanone eintreten, können die Gasmoleküle die Extraktionselektrode 2 nicht passieren. In diesem Fall wirkt die Extraktionselektrode 2 als Barriere.
Wie in der 7(b) gezeigt wird der von der Elektronenquelle 1 auf der optischen Achse ZS 23 emittierte Elektronenstrahl vom oberen Deflektor 16 aus der optischen Achse ZS 23 der Elektronenquelle ausgelenkt. Der ausgelenkte Elektronenstrahl wird vom unteren Deflektor 17 um den gleichen Betrag in der zur Umlenkrichtung des oberen Deflektors 16 entgegengesetzten Richtung derart umgelenkt, daß die Achse des umgelenkten Elektronenstrahls mit der unteren optischen Achse ZB 24 zusammenfällt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird dann gelöst, wenn die Verschiebung der Achse so groß ist, daß die Extraktionselektrode 2 in dem Bereich liegt, der durch die Verbindung des vorderen Endes der Elektronenquelle 1 mit der Öffnung C 14 definiert wird.
Ausführungsform 3:
Wie in der 7(c) gezeigt, fällt bei der Ultrahochvakuum-Elektronenkanone der vorliegenden Ausführungsform die optische Achse ZS 23 der Elektronenquelle, auf der die Elektronenquelle 1 und die Blendenöffnung 3 der Extraktionselektrode 2 angeordnet sind; mit der optischen Achse ZB 24 zusammen, auf der die Öffnung C 14 liegt, wobei in der Verlängerung der optischen Achsen ZS 23 und ZB 24 ein Stopper 22 liegt, mit dem die Gasmoleküle kollidieren. Dadurch wird verhindert, daß Gasmoleküle, die von der unteren Vakuumkammer 8 durch die Öffnung C 14 laufen und in die Elektronenkanone eintreten, an der Elektronenquelle 1 adsorbiert werden. In diesem Fall dient der Stopper 22 als Barriere.
Wie in der 7(c) gezeigt, wird der von der Elektronenquelle 1 auf der optischen Achse ZS 23 emittierte Elektronenstrahl von einem Deflektor 18 und einem Deflektor 19 zweimal so umgelenkt, daß er um den Stopper 22 herumläuft, wobei der Elektronenstrahl anschließend von einem Deflektor 20 erneut so umgelenkt wird, daß seine Achse mit der unteren optischen Achse ZB 24 zusammenfällt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird dann gelöst, wenn der Stopper 22 eine solche Größe hat, daß der Stopper 22 in dem Bereich liegt, der durch die Verbindung des vorderen Endes der Elektronenquelle 1 mit der Öffnung C 14 definiert wird.
Der Stopper 22 kann nicht nur bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden, sondern auch bei der Ausführungsform 1 und der Ausführungsform 2.
Bei den Ausführungsformen 1 bis 3 kann der Deflektor 15 zum Auslenken des Elektronenstrahls vom elektrostatischen Typ oder vom Magnetfeldtyp sein. Wenn der Deflektor in der Vakuumkammer angeordnet ist, ist er ultrahochvakuumbeständig und wird dem Ausheizen und dergleichen unterzogen. Bei einem Deflektor vom elektrostatischen Typ befindet sich der Deflektor 15 in der Vakuumkammer und muß Ausheiztemperaturen von 100°C und höher aushalten. Bei einer Magnetfeldlinse kann der Deflektor 15 außerhalb der Vakuumkammer B 5 und der Vakuumkammer C 6 angeordnet werden, so daß von der Magnetfeldlinse abgegebenes Gas kein Problem darstellt. Bei der Anordnung einer Spule für ein Magnetfeld an der Elektronenkanone ist es von Vorteil, wenn die Spule für das Magnetfeld eine Ausheiztemperatur von 100°C und mehr aushalten kann.
Bei den Ausführungsformen wird angenommen, daß die Stelle, an der es Gasmoleküle gibt, die Stromrauschen verursachen, die Vakuumkammer D 8 ist, wenn es jedoch eine andere Vakuumkammer gibt, in der es Gasmoleküle gibt, die Stromrauschen verursachen, dann entspricht diese Vakuumkammer der Vakuumkammer D 8.
Ausführungsform 4:
Es wird nun eine Ausführungsform beschrieben, bei der eine Graphenfolie als Barriere für eine Sperre gegen Moleküle verwendet wird.
Eine Graphenfolie ist ein dünnes netzartiges Material aus Kohlenstoffatomen, es ist ein extrem dünner Film mit einer Dicke, die einem Atom bis einigen wenigen Atomen entspricht, und es ist das Material mit der höchsten bekannten Zugfestigkeit von allen Materialien (Nicht-Patent-Druckschriften 4 und 5).
Die Oberfläche der Graphenfolie ist chemisch stabil, an der Oberfläche werden kaum Gasmoleküle adsorbiert, und der durch einen Elektronenstrahl verursachte Schaden an der Graphenfolie ist gering. Bei einem Rasterelektronenmikroskopbild einer Graphenfolie mit einem Elektronenstrahl mit einer Energie von einigen Kiloelektronenvolt ist die Substanz unter der Graphenfolie vollständig zu erkennen. Das heißt, daß auch ein Elektronenstrahl geringer Energie die Graphenfolie mit einer hohen Rate durchsetzt.
Entsprechend wird wie in der 8 gezeigt zwischen der Elektronenquelle 1 und der Öffnung C 14 eine Graphenfolie 21 mit einer Dicke von einigen Nanometern oder weniger angeordnet. Die Graphenfolie 21 läßt den Elektronenstrahl durch, nicht jedoch Gasmoleküle, wodurch verhindert wird, daß die Gasmoleküle von der unteren Vakuumkammer D 8 die Elektronenquelle 1 erreichen. In diesem Fall ist die Graphenfolie die Barriere.
Die Graphenfolie der vorliegenden Ausführungsform verringert das Stromrauschen unabhängig davon, an welcher Stelle die Graphenfolie zwischen der Elektronenquelle 1 und derjenigen Vakuumkammer angeordnet ist, in der es eine große Zahl von Gasmolekülen gibt, die ein Stromrauschen verursachen.
Die vorteilhaften Auswirkungen der vorliegenden Erfindung können dadurch erweitert werden, daß die Graphenfolie der vorliegenden Ausführungsform bei der 2 angewendet wird oder bei einer der Ausführungsformen 1 bis 3.
Ausführungsform 5:
Die Zahl der Gasmoleküle, die von der unteren Vakuumkammer bis zur Elektronenquelle 1 laufen und dort adsorbiert werden, kann dadurch herabgesetzt werden, daß die Größe der in der 9(a) gezeigten Öffnung auf die in der 9(b) dargestellte Größe reduziert wird.
In der Vakuumkammer A 4 vorhandene Wasserstoffmoleküle und dergleichen werden mit der Zeit an der Elektronenquelle 1 adsorbiert. Um die adsorbierten Moleküle zu entfernen, wird regelmäßig eine Blitzverdampfung durchgeführt. Wenn die Zeitspanne bis zur Zunahme des Stromrauschens durch die Adsorption von Gasmolekülen aus der Vakuumkammer D 8 größer ist als der Zyklus für die Blitzverdampfung, gibt es für den stabilen Betrieb der Elektronenstrahlvorrichtung keine Probleme.
Gemäß einem Experiment wird die obige Aufgabe durch das Vorsehen einer Öffnung 25 mit einem Raumwinkel von 10^–6 Steradian oder weniger bezüglich der Elektronenquelle 1 gelöst.
Der Zyklus für die Blitzverdampfung gegen die Adsorption der Wasserstoffmoleküle in der Vakuumkammer A 4 kann im Vergleich mit der Zeitspanne ermittelt werden, bis bei geschlossenem Elektronenkanonenventil 7 Stromrauschen auftritt.
Ausführungsform 6:
Um die Zahl der Gasmoleküle in der unteren Vakuumkammer D 8 zu verringern, kann die Innenseite der Vakuumkammer D 8 bei 100°C oder mehr ausgeheizt werden. Als Material für die untere Vakuumkammer 8 wird außerdem ein Material mit einer geringen Gasabgabe wie eine polierte Elektrolyt-Edelstahllegierung oder reiner Chrom-oxidierter Edelstahl verwendet. Auf diese Weise kann der Druck in der unteren Vakuumkammer bei 10^–6 Pa und weniger gehalten werden, und die Zahl der Gasmoleküle, die von der unteren Vakuumkammer aus auf die Elektronenquelle 1 zulaufen und dort adsorbiert werden, ist herabgesetzt.
Es ist außerdem von Vorteil, wenn zwischen der Elektronenquelle 1 und der Vakuumkammer D 8 eine Anordnung angebracht wird, die Moleküle adsorbiert, die Stromrauschen verursachen. Ein Beispiel dafür ist die Anordnung einer Getterpumpe.
Die vorliegende Erfindung kann angewendet werden bei einer Vorrichtung für einen Strahl geladener Teilchen mit einer Kanone für geladene Teilchen, in der ein Ultrahochvakuum erforderlich ist, etwa bei einer Feldemissions-Elektronenkanone (insbesondere einer Kalt kathoden-Feldemissions-Elektronenkanone) oder einer Schottky-Elektronenkanone.
Bezugszeichenliste

1: Elektronenquelle
2: Extraktionselektrode
3: Blendenöffnung
4: Vakuumkammer A
5: Vakuumkammer B
6: Vakuumkammer C
7: Elektronenkanonenventil
8: Vakuumkammer D
9, 10, 11: Ionenpumpe
12: Öffnung A
13: Öffnung B
14: Öffnung C
16, 17, 18, 19, 20: Deflektor
21: Graphenfolie
22: Stopper
23: optische Achse der Elektronenquelle
24: untere optische Achse
25: Öffnung
26: Umlenkpunkt des Elektronenstrahls

Claims

Kanone für geladene Teilchen, mit einer Quelle für die geladenen Teilchen, und mit einer Extraktionselektrode, die aus der Quelle für die geladenen Teilchen einen Strahl der geladenen Teilchen extrahiert, wobei die Kanone für geladene Teilchen mit einer Pumpe verbunden ist, die Luft aus dem Innenraum der Kanone für geladene Teilchen absaugt, und wobei die Kanone für geladene Teilchen des weiteren umfaßt eine Öffnung, durch die der Strahl geladener Teilchen hindurchläuft; und eine Barriere in dem Bereich, der durch eine Verbindung der Quelle für die geladenen Teilchen mit der Öffnung definiert wird.
Kanone für geladene Teilchen nach Anspruch 1, wobei die Barriere verhindert, daß durch die Öffnung fliegende Gasmoleküle an der Quelle für die geladenen Teilchen adsorbiert werden.
Kanone für geladene Teilchen nach Anspruch 1, wobei die Barriere die Extraktionselektrode ist.
Kanone für geladene Teilchen nach Anspruch 3, wobei die Richtung der Quelle für die geladenen Teilchen zur Normalen der Öffnung schräg verläuft; die Kanone für geladene Teilchen des weiteren einen Deflektor umfaßt, der den Strahl geladener Teilchen umlenkt; und der von der Quelle für die geladenen Teilchen emittierte Strahl geladener Teilchen vom Deflektor so umgelenkt wird, daß er durch die Öffnung läuft.
Kanone für geladene Teilchen nach Anspruch 3 mit einer Anzahl von Deflektoren, von denen jeder den Strahl geladener Teilchen umlenkt, wobei der Strahl geladener Teilchen von der Anzahl der Deflektoren umgelenkt wird.
Kanone für geladene Teilchen nach Anspruch 1 mit einer Anzahl von Deflektoren, von denen jeder den Strahl geladener Teilchen umlenkt, wobei die Barriere zwischen der Anzahl von Deflektoren vorgesehen ist.
Kanone für geladene Teilchen nach Anspruch 1, wobei die Barriere eine Graphenfolie ist.
Kanone für geladene Teilchen nach Anspruch 1, wobei das Innere der Kanone für geladene Teilchen ausgeheizt wird und von der Pumpe ein Vakuum im Bereich von 10^–7 bis 10^–8 Pa aufrechterhalten wird.
Kanone für geladene Teilchen, mit einer Quelle für die geladenen Teilchen, und mit einer Extraktionselektrode, die aus der Quelle für die geladenen Teilchen einen Strahl der geladenen Teilchen extrahiert, wobei die Kanone für geladene Teilchen mit einer Pumpe verbunden ist, die Luft aus dem Innenraum der Kanone für geladene Teilchen absaugt, und wobei die Kanone für geladene Teilchen des weiteren umfaßt eine Öffnung, durch die der Strahl geladener Teilchen hindurchläuft; und ein Ventil zum Verschließen der Öffnung, wobei die Größe der Öffnung bezüglich der Quelle für die geladenen Teilchen 10^–6 Steradian oder weniger beträgt.
Vorrichtung für einen Strahl geladener Teilchen mit einer Kanone für geladene Teilchen, mit einer Quelle für die geladenen Teilchen, und mit einer Extraktionselektrode, die aus der Quelle für die geladenen Teilchen einen Strahl der geladenen Teilchen extrahiert, wobei die Kanone für geladene Teilchen mit einer Pumpe verbunden ist, die Luft aus dem Innenraum der Kanone für geladene Teilchen absaugt, und wobei die Kanone für geladene Teilchen des weiteren umfaßt eine Öffnung, durch die der Strahl geladener Teilchen hindurchläuft; und eine Barriere in dem Bereich, der durch eine Verbindung der Quelle für die geladenen Teilchen mit der Öffnung definiert wird.
Vorrichtung für einen Strahl geladener Teilchen mit einer Kanone für geladene Teilchen, mit einer Quelle für die geladenen Teilchen, und mit einer Extraktionselektrode, die aus der Quelle für die geladenen Teilchen einen Strahl der geladenen Teilchen extrahiert, wobei die Kanone für geladene Teilchen mit einer Pumpe verbunden ist, die Luft aus dem Innenraum der Kanone für geladene Teilchen absaugt, und wobei die Kanone für geladene Teilchen des weiteren eine Öffnung umfaßt, durch die der Strahl geladener Teilchen hindurchläuft; wobei ein äußerer Teil der Kanone für geladene Teilchen aus einer polierten Elektrolyt-Edelstahllegierung oder reinem Chrom-oxidierten Edelstahl gebildet ist.