DE112011100597B4

DE112011100597B4 - Feldemissions-Elektronenkanone und Verfahren zu deren Steuerung

Info

Publication number: DE112011100597B4
Application number: DE112011100597.0T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Kokubo; Hisao Nitta; Boklae Cho; Hisaya Murakoshi
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2015-08-13
Anticipated expiration: 2031-01-20
Also published as: DE112011100597T5; US8766542B2; WO2011102077A1; JP5455700B2; JP2011171088A; US20130200788A1

Abstract

Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen, mit einer Feldemissions-Elektronenquelle (1) mit einem <310>-Wolfram-Einkristall; einer Vakuumkammer (2) für die Feldemissions-Elektronenquelle (1); einer Extraktionselektrode (3) zum Durchlassen eines Probenstroms (Ip) als Teil eines Gesamtstroms (Ie), der von der Feldemissions-Elektronenquelle (1) emittiert wird; einem Evakuierungssystem (11) zum Evakuieren der Vakuumkammer (2); einem Filament (6), das mit der Feldemissions-Elektronenquelle (1) verbunden ist und durch das zum Aufheizen der Feldemissions-Elektronenquelle (1) ein Strom fließen kann; einer Stromversorgung (7) für den Strom durch das Filament (6); einer Steuereinheit (4) zum Steuern der Stromversorgung (7) für den Strom durch das Filament (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Amperemeter (8) zum Messen des von der Feldemissions-Elektronenquelle (1) emittierten Gesamtstroms (Ie) und zum Senden der Messwerte zu der Steuereinheit (4) aufweist; und dass die Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, die Stromversorgung (7) derart zu steuern, dass durch das Filament (6) zu einem Schnellverdampfungszeitpunkt (τf) ein Strom fließt, wenn der periodisch durch das Amperemeter (8) gemessene Gesamtstrom (Ie) im Vergleich zu dem unmittelbar nach der ersten Elektronenstrahlemission erhaltenen Gesamtstrom (Ie0) oder dem unmittelbar nach einem Stromfluss durch das Filament (6) erhaltenen Gesamtstrom des Elektronenstrahls nur mehr einen vorgegebenen Teil (R) davon von etwa 50% oder weniger beträgt, wobei das zeitliche Verhalten der Abnahme des Probenstroms (Ip) und des Gesamtstroms (Ie) verschieden ist, die Abnahmegeschwindigkeit des Gesamtstroms (Ie) sich von einem Bereich (I) schneller anfänglicher Abnahme über einen Bereich (II) moderater Abnahme zu einem Bereich (III) schneller Abnahme ändert, und der Schnellverdampfungszeitpunkt ...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feldemissions-Elektronenkanone und ein Verfahren zu deren Steuerung und insbesondere eine Elektronenkanone mit einer W-<310>-Feldemissions-Elektronenkanone und ein Verfahren zu deren Steuerung.
STAND DER TECHNIK
Wenn auf eine Metalloberfläche ein starkes elektrisches Feld einwirkt, wird die Potentialbarriere gegenüber dem Vakuum kleiner. Wenn das elektrische Feld wenigstens 10 V/cm beträgt, wird die Barriere an extrem feinen Spitzen überwunden, und es werden Elektronen in das Vakuum abgegeben. Dies wird Feldemission genannt. Die Energiedispersion der emittierten Elektronen ist klein und beträgt etwa 0,3 eV. Um ein starkes elektrisches Feld zu erzeugen, wird die Spitze einer Feldemissions-Elektronenquelle mit einem Krümmungsradius von etwa 100 nm versehen.
Da der Durchmesser einer Feldemissions-Elektronenkanone nur eine Größe von 5 bis 10 nm hat, ist ein Merkmal der Feldemissions-Elektronenkanone eine sehr hohe Leuchtkraft, so daß sie oft als Elektronenkanone für hochauflösende REMs und TEMs verwendet wird. Wegen der geringen Energiebreite der emittierten Elektronen kann auch mit einer kleinen Beschleunigungsspannung eine hohe Auflösung erhalten werden.
Da die Elektronenkanone bei Raumtemperatur betrieben wird, kann jedoch der Emissionsstrom durch eine Gasadsorption instabil werden. Deshalb ist ein ultrahohes Vakuum erforderlich. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Kathodenoberfläche durch den Aufprall von Restgasmolekülen, die von den emittierten Elektronen ionisiert werden, rauh wird und die Kathode letztendlich dadurch zerstört wird. Wie in der Patent-Druckschrift 1 beschrieben, erfolgt zum Entfernen von adsorbiertem Gas manchmal ein kurzzeitiges Aufheizen der Kathode, das Schnellverdampfen genannt wird.
Für die Feldemissions-Elektronenquelle wird in der Regel eine Nadel (Spitze) aus Wolfram (W) verwendet. Wenn die W-Elektronenquelle einer Schnellverdampfung bei einer Temperatur von wenigstens 1500 K unterzogen wird, verdampft die adsorbierte Schicht, und es wird eine saubere Oberfläche erhalten.
Wenn die W-Oberfläche sauber ist, werden die Elektronen hauptsächlich von der (111)-Kristallebene und der (310)-Kristallebene emittiert, da diese Kristallebenen eine relativ kleine Austrittsarbeit aufweisen, wie es das in der 2 gezeigte Feldemissionsmuster anzeigt. Als Feldemissions-Elektronenquelle wird daher eine W-<111>- oder eine W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle mit einer (111)-Kristallebene oder einer (310)-Kristallebene an der Spitze verwendet.
LISTE DER ZITIERTEN DRUCKSCHRIFTEN
PATENT-DRUCKSCHRIFTEN:

JP 2007/73521 A ;
US 2007/0158 588 A1 ;
US 2008/0 174 225 A1 ;
US 2008/0 169 743 A1 ;
EP 2 148 354 A1 ;
US 2005/0 212 440 A1 ;
US 2010/0264335 A1 ;
US 2010/0026160 A1 und
US 7 573 046 B1 ;

NICHT-PATENT-DRUCKSCHRIFTEN:

B. Cho, Applied Physics Letters, Band 91 (2007) P 012105;
T. Hayes et al., E-Beam Column Monitoring for Improved CDSEM Stability and Tool Matching, in: Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XIV, Proceedings of SPIE Vol. 3998 (2000), 65–72; und
Lab Manual LEO 1550 Scanning Electron Microscope, Marvell Nanofabrication Laborator, University of California, Berkeley, 13.10.2003.

ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Die Erfinder haben Merkmale für die Abnahme des Emissionsstroms von der W-(310)-Kristallebene festgestellt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf der Basis dieses Wissens ein Verfahren zum stabilen Betreiben einer Feldemissions-Elektronenquelle zu schaffen.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch die Vorrichtung bzw. das Verfahren mit den in den unabhängigen Patentansprüchen definierten Merkmalen. Offenbart wird eine Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen mit einer Feldemissions-Elektronenquelle mit einem <310>-Wolfram-Einkristall, mit einer Vakuumkammer mit der Elektronenquelle darin, mit einem Evakuierungssystem zum Evakuieren der Vakuumkammer, mit einem Filament, das mit der Elektronenquelle verbunden ist und durch das zum Aufheizen der Elektronenquelle ein Strom fließen kann, mit einer Stromversorgung für den durch das Filament fließenden Strom, mit einem Amperemeter zum Messen des von der Elektronenquelle emittierten Gesamtstroms, und mit einer Steuereinheit zum Steuern der Stromversorgung derart, dass ein Stromfluss durch das Filament ausgelöst wird, wenn der periodisch gemessene Gesamtstrom im Vergleich zu dem unmittelbar nach der ersten Elektronenstrahlemission erhaltenen Gesamtstrom oder zu dem unmittelbar nach einem Stromfluss durch das Filament erhaltenen Gesamtstrom des Elektronenstrahls nur mehr einen vorgegebenen Bruchteil davon oder weniger beträgt.
Mit dem Evakuierungssystem wird der Druck in der Vakuumkammer auf einem Wert von 10^–9 Pa oder besser gehalten.
VORTEILHAFTE AUSWIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Mit der vorliegenden Erfindung bleibt die ursprünglich hohe Leuchtkraft einer W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle erhalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt das Feldelektronen-Emissionsmuster einer W-Spitze.
3 ist eine Darstellung eines Beispiels für den Aufbau um die Elektronenquelle bei der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Darstellung von experimentellen Ergebnissen zum Erläutern der Probleme, die mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden sollen.
5 ist eine Darstellung von experimentellen Ergebnissen zum Erläutern der Probleme, die mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden sollen.
6 ist eine Darstellung von experimentellen Ergebnissen zum Erläutern der Probleme, die mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden sollen.
7 ist eine Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens für den Emissionsstrom.
8 ist eine Darstellung von experimentellen Ergebnissen zum Erläutern der Probleme, die mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden sollen.
9 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens für den Emissionsstrom.
10 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens für den Emissionsstrom.
11 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens für den Emissionsstrom.
12 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Beispiels für die Anordnung einer nichtverdampfenden Getterpumpe und einer Ionenpumpe bei der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Beispiels für die Anordnung einer Titan-Sublimationspumpe und einer Ionenpumpe bei der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Beispiels für die Anordnung einer Kryopumpe bei der vorliegenden Erfindung.
15 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Beispiels für die Anordnung eines Tandem-Turbomolekularpumpen-Evakuierungssystems.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Vor der Beschreibung von Ausführungsformen soll das Prinzip der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
Wenn Restgas (zum Beispiel Wasserstoff) an einer sauberen Oberfläche einer Feldemissions-Elektronenquelle adsorbiert wird, steigt die Austrittsarbeit an, und der Emissionsstrom nimmt ab. Die Abnahmezeit τ ist umgekehrt proportional zum Druck P, und τ·P ist konstant (Nicht-Patent-Druckschrift 1). Durch Messen der Änderung der Abnahmezeit τ kann daher die Druckänderung um die Elektronenquelle festgestellt werden.
Bei einem Elektronenmikroskop wird wie in der 3 gezeigt von dem Gesamt-Emissionsstrom (Ie) des von der Kristallebene an der Spitze einer Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahls nur ein sehr kleiner Teil als Probenstrom (Ip) verwendet.
Es wird nun beschrieben, wie der Emissionsstrom einer W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle in einem Experiment abnimmt.
Wenn die W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle einer Schnellverdampfung unterzogen wird, nimmt der Emissionsstrom unmittelbar nach der Schnellverdampfung wie in der 4 gezeigt ab. Es nehmen dabei wie in der 4 gezeigt zwar sowohl Ie als auch Ip ab, wobei jedoch das zeitliche Verhalten der Abnahme von Ie und Ip verschieden ist.
Der Strom Ip nimmt zuerst sehr langsam ab, bis etwa 90% des Anfangswerts erreicht sind. Danach nimmt der Strom Ip sehr schnell ab, der Strom fällt abrupt ab. Dieser Bereich wird als Abnahmebereich III bezeichnet.
Die Abnahmegeschwindigkeit des Stromes Ie ändert sich dagegen von schnell (Bereich I) über moderat (Bereich II) zu schnell (Bereich III), wie es in der 4 gezeigt ist. Wenn die Oberfläche der Elektronenquelle vollständig mit Gas bedeckt ist, beträgt der Strom Ie gerade noch einige Zehntel des Anfangswerts, der Strom ändert sich jedoch nicht mehr und wird stabil. Bei einem gewöhnlichen Elektronenmikroskop und dergleichen wird übrigens dieser stabile Bereich verwendet, auch wenn der Strom dabei nur einige Zehntel des Werts beträgt, der unmittelbar nach einer Schnellverdampfung erhalten wird.
Die unterschiedlichen Arten der Abnahme von Ie und Ip werden darauf zurückgeführt, daß sich die Änderung der Austrittsarbeit an der Wolfram-Oberfläche durch die Wasserstoffadsorption von Kristallebene zu Kristallebene unterscheidet. Da die Austrittsarbeit an der (111)-Ebene durch die Wasserstoffadsorption ansteigt, nimmt der Emissionsstrom von der (111)-Ebene bis auf einige % des Anfangswerts ab. Zu Beginn der Wasserstoffadsorption nimmt dagegen die Austrittsarbeit an der (310)-Ebene nicht zu. Wenn die Zeit bis zur Abnahme des Emissionsstroms auf 90% des Anfangswerts mit τ₉₀ bezeichnet wird, beginnt die schnelle Abnahme des Emissionsstroms von der (310)-Ebene im Schnitt nach der Zeit τ₉₀ (Ip-Kurve in der 4). Die Hauptkomponenten von Ie sind die Emissionsströme I₍₁₁₁₎ und I₍₃₁₀₎ von der (111)-Kristallebene bzw. der (310)-Kristallebene. Im vorliegenden Experiment ist der Emissionsstrom I₍ ₃₁₀ ₎ die Hauptkomponente von Ip.
Die schnelle anfängliche Abnahme von Ie im Bereich I gibt daher die schnelle anfängliche Abnahme von I₍ ₁₁₁ ₎ wieder. Der Grund für die schnelle Abnahme von Ie in der letzten Stufe der Abnahme im Bereich III ist, daß Ie und Ip gleichzeitig schnell abnehmen, das heißt, daß die Abnahmegeschwindigkeit von I₍ ₃₁₀ ₎ schnell ansteigt. Der Grund dafür ist folgender. Wenn nur die (310)-Ebene, die die Kristallebene an der Spitze der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle ist, Kohlenstoff adsorbiert, damit Ip nicht abnimmt, nimmt Ie im Bereich III nicht ab, was die Abnahme des Emissionsstroms von der (310)-Kristallebene wiedergibt, die in der 5 gezeigt ist.
Diese experimentellen Ergebnisse zeigen, daß es ein Merkmal der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle ist, daß in den Bereichen I und II der Probenstrom Ip nicht abnimmt.
Es wird nun die Beziehung zwischen der Höhe des Vakuums in der Elektronenkanone und dem Emissionsstrom beschrieben.
Bei einer herkömmlichen Elektronenkanone mit einem Druck von 10^–8 Pa nimmt wie in der 6 gezeigt der Emissionsstrom vollständig ab, woraufhin die Extraktionsspannung angehoben wird, bis der Gesamt-Emissionsstrom Ie wieder seinen Anfangswert (gewöhnlich etwa 10 μA) erreicht hat. Danach kann mit der stabilen Aufnahme von Elektronenmikroskopabbildungen begonnen werden.
Aber auch wenn Ie wieder auf seinen Anfangswert angehoben wird, steigt der Probenstrom Ip nur auf etwa die Hälfte oder weniger seines Anfangswerts vor der Abnahme an. Das heißt, daß die Leuchtkraft des Elektronenstrahls von der (310)-Kristallebene an der Spitze, der für die Gewinnung der Abbildungen verwendet wird, nach der Abnahme nur mehr die Hälfte oder weniger beträgt. Die Stromdichte im Emissionswinkel (der Probenstrom pro Raumwinkeleinheit) I', der bei der Änderung des Gesamt-Emissionsstroms Ie gemessen wird, zeigt ebenfalls, daß I' nach der Abnahme im Vergleich zu davor nur mehr die Hälfte oder weniger beträgt. Wenn bei der Betrachtung mit einem Elektronenmikroskop mit der herkömmlichen Feldemissions-Elektronenquelle und einem Druck von 10^–8 Pa eine hohe Leuchtkraft erforderlich ist, erfolgt die Betrachtung in den etwa 15 Minuten, bevor der Strom Ip von der (310)-Kristallebene abnimmt (τ₉₀).
Es wurde jedoch festgestellt, daß τ₉₀ auf fast das Zehnfache zunimmt und sich die stabile Beobachtungszeit wie in der 7 gezeigt vor einer Abnahme auf mehrere Stunden verlängert, wenn das Vakuum der Elektronenkanone einen Druck von 10^–9 Pa erreicht. Wenn zu dem Zeitpunkt, wenn die schnelle Abnahme beginnt, ein Schnellverdampfen durchgeführt wird, können sofort und ohne Wartezeit während der Abnahmeperiode Abbildungen mit hoher Leuchtkraft erhalten werden, im Gegensatz zur herkömmlichen Elektronenkanone.
Wenn mit dieser Kenntnis zu dem Zeitpunkt, wenn die schnelle Abnahme beginnt, ein Schnellverdampfen durchgeführt wird, kann eine Beobachtung für lange Zeit mit einem sehr großen Emissionsstrom (mit hoher Leuchtkraft) erfolgen. Wenn der Druck bei 10^–9 Pa gehalten wird, sind die Zeitabstände in den Schnellverdampfungsintervallen lang, und es wird ein Elektronenmikroskop mit ausgezeichneten Nutzungsfähigkeiten erhalten.
AUSFÜHRUNGSFORM 1
Für die zeitliche Abstimmung der Schnellverdampfung wird ein Amperemeter für den tatsächlichen Probenstrom Ip vorgesehen, und es wird überwacht, wann der Zeitpunkt (τ₉₀) erreicht ist, zu dem der Strom Ip auf 90% seines Anfangswertes abgesunken ist, der Zeitpunkt, an dem der schnelle Abnahme von Ip beginnt. Zu diesem Zeitpunkt veranlaßt dann eine Steuervorrichtung die Schnellverdampfung.
Es kann auch ein anderes Schema vorgesehen werden, wenn sich auf der Oberfläche der Elektronenquelle andere Gasmoleküle als Wasserstoff befinden oder wenn eine periphere Elektrode wie die Anode kontaminiert ist.
Wenn als Elektronenquelle für ein Elektronenmikroskop eine W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle verwendet wird, kann durch Ausführen der Schnellverdampfung in Übereinstimmung mit τ_f, wobei τ_f der Zeitpunkt ist, an dem die schnelle Abnahme des Probenstroms Ip beginnt (in der 4 beim Übergang von den stabilen Bereichen (den Bereichen I und II) in den Abnahmebereich (dem Bereich III)), immer eine Beobachtung mit großer Leuchtkraft erfolgen. Gewöhnlich liegt τ_f nahe bei τ₉₀. In Abhängigkeit vom Oberflächenzustand der Elektronenquelle kann die schnelle Abnahme jedoch auch zu einem anderen Zeitpunkt als τ₉₀ beginnen, wie es in der 8 gezeigt ist.
Die 8(a) zeigt eine Abnahmekurve für den Fall, daß die Oberfläche der Elektronenquelle sauber ist, wobei die schnelle Abnahme bei etwa τ₉₀ beginnt. Wenn sich andere Gasmoleküle als die von Wasserstoff an der Oberfläche der Elektronenquelle befinden oder wenn eine periphere Elektrode wie die Anode kontaminiert ist, beginnt die Abnahme wie in der 8(b) gezeigt schon sehr früh und setzt sich nach τ₉₀ als schnelle Abnahme fort. Der Grund dafür ist, daß der Probenstrom Ip von dem eng begrenzten Nanobereich der (310)-Kristallebene an der Spitze der Elektronenquelle emittiert wird und folglich der Probenstrom Ip empfindlich auf den Oberflächenzustand der Elektronenquelle reagiert.
Bei einer Kontamination der Oberfläche der Elektronenquelle und von peripheren Teilen kann ein anderes Verfahren zum Überwachen von Ip und Feststellen von τ₉₀ erforderlich sein. Im folgenden wird das Verfahren beschrieben.
Da der Gesamt-Emissionsstrom Ie von der ganzen Oberfläche der Elektronenquelle emittiert wird, ist das Rauschen im Vergleich zu dem Probenstrom Ip, der von einem Teil der Spitze der Elektronenquelle ausgeht, vergleichsweise klein, und die Schwankungen im anfänglichen Reinheitsgrad der Oberfläche und in der Abnahmekurve aufgrund von Gasemissionen der peripheren Teile sind ebenfalls gering. Durch einen Vergleich der Abnahmekurven von Ie und Ip miteinander wurde festgestellt, daß wie der 7 gezeigt die Zeit τ_f, zu der die schnelle Abnahme von Ip beginnt, und die 50%-Abnahmezeit τ_e50 von Ie unabhängig vom Druck nahezu übereinstimmen. Durch ein Verfahren zum Überwachen des Gesamt-Emissionsstroms Ie, das Durchführen der Schnellverdampfung in der Umgebung von τ_e50 und das Steuern des Probenstroms Ip zur genaueren zeitlichen Steuerung der Schnellverdampfung ist eine Betrachtung der elektronenmikroskopischen Abbildungen in den Bereichen I und II vor der schnellen Abnahme von Ip möglich. Bei der vorliegenden Erfindung wird in einer Elektronenkanone in einem Ultrahochvakuum mit der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle durch Überwachung des Gesamt-Emissionsstroms Ie der Zeitpunkt τ_f erfaßt, wenn der von der (310)-Kristallebene emittierte Probenstrom Ip über die Bereiche I und II hoher Leuchtkraft unmittelbar nach dem Schnellverdampfen in den Abnahmebereich eintritt. Das Schnellverdampfen zum Reinigen der Oberfläche der Elektronenquelle wird zum Zeitpunkt τ_f durchgeführt, an dem der Probenstrom Ip schnell abnimmt, und die elektronenmikroskopischen Abbildungen werden in den Bereichen I und II betrachtet, in denen der von der (310)-Kristallebene emittierte Elektronenstrahl eine hohe Leuchtkraft besitzt.
AUSFÜHRUNGSFORM 2
Es wird nun der Druck um die Elektronenquelle beschrieben.
Zum Verlängern der Beobachtungszeit mit hoher Leuchtkraft um wenigstens mehrere Stunden erfolgen ein Ausgasen durch Aufheizen der Komponenten in einem Vakuumofen mit einem Druck von 10^–3 Pa oder besser und 400°C oder mehr und ein elektrolytisches Polieren. Auf diese Weise läßt sich eine Elektronenkanone mit einer W-<310>-Einkristall-Feldemissions-Elektronenquelle mit reduzierter Gasemission erhalten, wobei der Druck um die Elektronenquelle durch ein Evakuierungssystem, das dazu in der Lage ist, bei 10^–9 Pa oder besser gehalten wird.
AUSFÜHRUNGSFORM 3
Im folgenden wird eine konkrete Form der Ausführung der vorliegenden Erfindung mit Bezug zu den Zeichnungen näher erläutert.
Die 1 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Ultrahochvakuum-Elektronenkanone und dessen Steuersystem bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Ausführungsform umfaßt die Ultrahochvakuum-Elektronenkanone eine W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 mit einer W-<310>-Einkristallnadel und eine Vakuumkammer 2 für ein Ultrahochvakuum. Der Druck in der Elektronenkanonenkammer der Vakuumkammer 2 für ein Ultrahochvakuum wird bei einem Ultrahochvakuum von 10^–9 Pa oder besser gehalten. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Aspekte der Erfindung gemäß Ausführungsform 1 und gemäß Ausführungsform 2 gemeinsam angewendet. Diese Aspekte können jedoch auch einzeln verwendet werden.
In der 1 umfaßt die Ultrahochvakuum-Elektronenkanone die Ultrahochvakuumkammer 2 mit der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1, die durch Ätzen eines W-<310>-Einkristalldrahtes hergestellt wird, als Elektronenquelle, mit einem Evakuierungssystem 11, die die Ultrahochvakuumkammer 2 auf ultrahohes Vakuum bringt, mit einem Wolframfilament 6 zum Aufheizen der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 mit einem durchfließenden Strom, um dadurch eine Schnellverdampfung auszuführen, mit einer Schnellverdampfungs-Stromversorgung 7 für den Strom durch das Filament 6, mit einem Amperemeter 8 zum Messen des Gesamt-Emissionsstroms Ie, der von der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 emittiert wird, mit einer Elektronenquellen-Steuereinheit 4 zum Feststellen einer geeigneten Zeit für die Schnellverdampfung der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 auf der Basis eines Meßwerts für Ie vom Amperemeter 8 und zum Ansteuern der Schnellverdampfungs-Stromversorgung 7, damit durch Fließen eines Stroms durch das Filament 6 die W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 gereinigt wird, und mit einer Bedienungseinheit 5 für die Eingabe von Parametern für den Zeitpunkt der Schnellverdampfung, die Zeit, den Strom für die Schnellverdampfung und dergleichen in die Elektronenquellen-Steuereinheit 4.
Die Schnellverdampfung wird dadurch ausgeführt, daß für eine vorgegebene Zeit ein Strom durch das Filament 6 fließt und dabei die Temperatur der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 auf zum Beispiel 1500 K oder darüber ansteigt. Die Zeitspanne, während der der Strom fließt, beträgt maximale einige Sekunden, wobei der Strom in Abhängigkeit vom Oberflächenzustand auch mehrmals fließen kann. Wenn die Schnellverdampfung zum Zeitpunkt τ_f erfolgt, an dem wie in der 4 gezeigt die schnelle Abnahme von Ip beginnt, kann die elektronenoptische Betrachtung wirkungsvoll in den stabilen Bereichen I und II hoher Leuchtkraft erfolgen.
Der Zeitpunkt für die Schnellverdampfung wird mit dem im folgenden beschriebenen Verfahren festgelegt. Die Schnellverdampfungs-Stromversorgung 7 wird so gesteuert, daß die Schnellverdampfung gemäß den an der Bedienungseinheit 5 eingegebenen Parametern wie dem Strom, der Spannung, der Leistung und der Zeit ausgeführt wird. Wenn die Oberfläche der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 durch das Schnellverdampfen sauber ist, steuert die Elektronenquellen-Steuereinheit 4 eine Extraktions-Stromversorgung 9 an, um an eine Extraktionselektrode 3 eine positive Extraktionsspannung anzulegen, damit von der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 ein Elektronenstrahl mit einem an der Bedienungseinheit 5 festgelegten Wert I_e0 für den Gesamt-Emissionsstrom emittiert wird. Unmittelbar danach speichert die Elektronenquellen-Steuereinheit 4 den vom Amperemeter 8 gemessenen Stromwert I_e0 in einem Speicher. Während der Elektronenstrahl von der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 emittiert wird, mißt das Amperemeter 8 in Intervallen von einigen Sekunden Meßwerte für den Gesamt-Emissionsstrom Ie und sendet die Meßwerte zu der Elektronenquellen-Steuereinheit 4. Die Elektronenquellen-Steuereinheit 4 vergleicht die erhaltenen Meßwerte für den Gesamt-Emissionsstrom Ie mit dem Anfangswert Ie0, der im Speicher gespeichert ist. Wenn der Meßwert für den Gesamt-Emissionsstrom Ie nur mehr ein vorgegebener Teil R × I_e0 in der Umgebung von 50 (zum Beispiel ein vorgegebener Wert im Bereich von 30 bis 70%) des Anfangswerts I_e0 oder weniger ist, erfolgt ein Schnellverdampfen, damit der Probenstrom nicht weiter abnimmt.
Hinsichtlich des Zeitpunkts für die Schnellverdampfung erfolgt diese automatisch, wenn die Elektronenquellen-Steuereinheit 4 feststellt, daß die Bedingung Ie ≤ R' × I_e0 erfüllt ist. Dabei überwacht die Elektronenquellen-Steuereinheit 4 den Betriebszustand des Elektronenmikroskops und verhindert die Ausführung der Schnellverdampfung, wenn gerade eine elektronenoptische Abbildung wie eine Sekundärelektronenabbildung, eine Abbildung der reflektierten Elektronen, eine EDX-Abbildung oder eine EELS-Abbildung aufgenommen werden oder wenn ein EDX-, ein WDX- oder ein EELS-Spektrum aufgenommen wird, und führt die Schnellverdampfung eine vorgegebene Zeit nach der Aufnahme der Abbildung oder des Spektrums durch.
Bei einem anderen Verfahren beginnt die Elektronenquellen-Steuereinheit 4 mit der Überwachung des Betriebszustands des Elektronenmikroskops, wenn sie festgestellt hat, daß die Bedingung Ie ≤ R' × I_e0 erfüllt ist. Wenn ein Bediener des Elektronenmikroskops die elektronenoptische Beobachtung unterbrochen hat, erfolgt automatisch eine Schnellverdampfung. Zum Beispiel wird der Zeitpunkt für einen Probenaustausch erfaßt und während des Probenaustauschs automatisch eine Schnellverdampfung durchgeführt.
Bei einem anderen Verfahren wird der Zeitpunkt einer Unterbrechung des Elektronenstrahls zwischen der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 und der Probe erfaßt und die Schnellverdampfung automatisch ausgeführt, während der Elektronenstrahl zwischen der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 und der Probe unterbrochen ist.
Bei einem wiederum anderen Verfahren wird die Bedienung des Elektronenmikroskops durch den Bediener überwacht, etwa Fokuseinstellungen, Bewegungen des Sichtfelds oder Einstellungen der Vergrößerung. Wenn für eine bestimmte Zeit keine Bedienung des Elektronenmikroskops festgestellt wird, erfolgt automatisch eine Schnellverdampfung.
Wenn die Elektronenquellen-Steuereinheit 4 feststellt, daß die Bedingung Ie ≤ R' × I_e0 erfüllt ist, und mit einer Überwachung des Betriebszustands des Elektronenmikroskops beginnt, der Bediener des Elektronenmikroskops jedoch die Beobachtung zur Gewinnung einer elektronenmikroskopischen Abbildung nicht unterbricht, kann die Elektronenquellen-Steuereinheit 4 trotzdem eine automatische Schnellverdampfung einleiten. Oder es kann zum Beispiel ein R' mit R' < R vorgegeben sein und die Elektronenquellen-Steuereinheit 4 automatisch eine Schnellverdampfung zu dem Zeitpunkt durchführen, an dem die Bedingung Ie ≤ R' × I_e0 erfüllt ist.
Wenn die Bedingung Ie ≤ R × I_e0 erfüllt ist, kann die Elektronenquellen-Steuereinheit 4 auch eine Anweisung ausführen, die dem Bediener an einem Monitor eine Nachricht anzeigt, daß eine Schnellverdampfung durchgeführt werden soll. Der Bediener führt die Schnellverdampfung dann manuell durch Drücken eines Startknopfes an der Bedienungseinheit für die Schnellverdampfung durch.
Es wird nun ein Meßverfahren für den Wert Ie des Gesamt-Emissionsstroms mit einem Mikroamperemeter beschrieben. Wenn die Beschleunigungsspannung V₀ niedrig ist und kaum Leckströme an der Hochspannungsseite mit der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1, dem Filament 6, der Extraktionselektrode 3 und der Beschleunigungs-Stromversorgung 10 auftreten, kann das Mikroamperemeter wie in den 1 und 9 gezeigt zum Messen des Stromwerts in Reihe zwischen die W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 und die Extraktionselektrode 3 geschaltet werden.
Bei einer hohen negativen Beschleunigungsspannung V₀ tritt wie in den 10 und 11 gezeigt manchmal auf der Hochspannungsseite ein Leckstrom auf.
Wie in der 10 gezeigt, bleibt die an die W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 angelegte Spannung auf dem vorgegebenen Wert V₀. Wenn an die Extraktionselektrode eine positive Extraktionsspannung angelegt wird, steigt der Strom durch ein Amperemeter A₂ 13 zwischen der Extraktions-Stromversorgung 9 und der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 vom Leckstrom I_L1 auf den Wert Ie + I_L1 an. Der Unterschied im Strom vor und nach dem Anlegen der Extraktionsspannung entspricht daher dem Emissionsstrom von der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1.
Wenn wie in der 11 gezeigt eine Extraktionselektrode 15 mit einer extrem feinen Spitze aus einem dünnen Draht und dergleichen verwendet wird und auf der Masseseite ein Faraday-Becher 23 vorgesehen wird, treten keine Leckströme auf, da sich der Faraday-Becher 23 nahezu auf der Spannung Null befindet. Der Strom, der mit einem Amperemeter A₃ 14 zwischen dem Faraday-Becher 23 und Masse gemessen wird, hat daher den Wert (Ie – Ip), der durch Subtrahieren des Stromes Ip erhalten wird, der die Membran des Faraday-Bechers 23 durchsetzt. Da Ip im Vergleich zu Ie klein ist, kann der Stromwert, der mit dem Amperemeter A₃ 14 gemessen wird, als Ie verwendet werden.
Für die Verwendung der Elektronenkanone mit der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 während der Zeitspanne zwischen unmittelbar nach der Schnellverdampfung und vor der Abnahme (den Bereichen I und II in der 4), in der der von der (310)-Kristallebene an der Spitze der Elektronenquelle emittierte Probenstrom Ip eine stabile Leuchtkraft aufweist, ist es erforderlich, die Zeitspanne für die Bereiche I und II zu verlängern. Wenn der Druck in der Vakuumkammer 2 mit der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 bei einem ultrahohen Vakuum von 10^–9 Pa oder besser gehalten wird, beträgt die Zeitspanne für die Bereiche I und II wenigstens 30 Minuten. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Druck um die Elektronenkanone mit der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 durch den im folgenden beschriebenen Aufbau des Vakuumsystems für die Elektronenkanone mit der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 bei 10^–9 Pa oder besser gehalten.
Alle Teile in der und die Vakuumkammer 2 für ein ultrahohes Vakuum mit der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 sind jeweils aus einem Material, das auf mindestens 300°C aufgeheizt werden kann, und werden in einem Vakuumofen bei einem Druck von 10^–3 Pa oder besser für wenigstens eine Stunde ausgegast. Wenn Metallteile vor dem Ausgasen einer abrasiven Behandlung unterzogen werden, wird die Gasemission weiter reduziert. Dies ist jedoch nicht immer erforderlich.
Für das Evakuierungssystem der Vakuumkammer 2 für ein ultrahohes Vakuum mit der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 darin wird wie in der 12 gezeigt eine nichtverdampfende Getterpumpe 16 und zusammen damit eine Ionenpumpe 17 mit einer Absauggeschwindigkeit von wenigstens 1 l/s verwendet.
Für das Evakuierungssystem der Vakuumkammer 2 für ein ultrahohes Vakuum mit der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 darin kann wie in der 13 gezeigt zusammen mit der Ionenpumpe 17 auch eine Titan-Sublimationspumpe 18 verwendet werden.
Bei einem anderen Verfahren wird wie in der 14 gezeigt für das Evakuierungssystem der Vakuumkammer 2 für ein ultrahohes Vakuum mit der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 darin eine Kryopumpe 19 verwendet.
Bei einem wiederum anderen Verfahren wird wie in der 15 gezeigt bei dem Evakuierungssystem für die Vakuumkammer 2 mit der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 die Vakuumkammer 2 in einer erste Stufe durch eine Turbomolekularpumpe 20 mit einer Absauggeschwindigkeit von wenigstens 100 l/s evakuiert. Am Auslaß der Turbomolekularpumpe 20 der ersten Stufe ist eine zweite Turbomolekularpumpe 21 angeordnet. Am Auslaß der zweiten Turbomolekularpumpe 21 ist eine Vorpumpe 22 angebracht.
Wenn mit einer der beschriebenen Techniken der Druck um die W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle 1 auf einen Wert von 10^–9 Pa oder besser gebracht wird, werden die Zeiten für die Bereiche I und II verlängert, und die hohe ursprüngliche Leuchtkraft der W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle kann wirkungsvoll ausgenutzt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 W-<310>-Feldemissions-Elektronenquelle, 2 Vakuumkammer, 3 Extraktionselektrode, 4 Elektronenquellen-Steuereinheit, 5 Bedienungseinheit, 6 Filament, 7 Schnellverdampfungs-Stromversorgung, 8 Amperemeter, 9 Extraktions-Stromversorgung, 10 Beschleunigungs-Stromversorgung, 11 Evakuierungssystem, 12 Amperemeter A₁, 13 Amperemeter A₂, 14 Amperemeter A₃, 15 Extraktionselektrode mit extrem feiner Spitze, 16 nichtverdampfende Getterpumpe (NEG), 17 Ionenpumpe, 18 Titan-Sublimationspumpe, 19 Kryopumpe, 20 Turbomolekularpumpe der ersten Stufe, 21 Turbomolekularpumpe der zweiten Stufe, 22 Vorpumpe, 23 Faraday-Becher.

Claims

Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen, mit einer Feldemissions-Elektronenquelle (1) mit einem <310>-Wolfram-Einkristall; einer Vakuumkammer (2) für die Feldemissions-Elektronenquelle (1); einer Extraktionselektrode (3) zum Durchlassen eines Probenstroms (Ip) als Teil eines Gesamtstroms (Ie), der von der Feldemissions-Elektronenquelle (1) emittiert wird; einem Evakuierungssystem (11) zum Evakuieren der Vakuumkammer (2); einem Filament (6), das mit der Feldemissions-Elektronenquelle (1) verbunden ist und durch das zum Aufheizen der Feldemissions-Elektronenquelle (1) ein Strom fließen kann; einer Stromversorgung (7) für den Strom durch das Filament (6); einer Steuereinheit (4) zum Steuern der Stromversorgung (7) für den Strom durch das Filament (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Amperemeter (8) zum Messen des von der Feldemissions-Elektronenquelle (1) emittierten Gesamtstroms (Ie) und zum Senden der Messwerte zu der Steuereinheit (4) aufweist; und dass die Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, die Stromversorgung (7) derart zu steuern, dass durch das Filament (6) zu einem Schnellverdampfungszeitpunkt (τ_f) ein Strom fließt, wenn der periodisch durch das Amperemeter (8) gemessene Gesamtstrom (Ie) im Vergleich zu dem unmittelbar nach der ersten Elektronenstrahlemission erhaltenen Gesamtstrom (I_e0) oder dem unmittelbar nach einem Stromfluss durch das Filament (6) erhaltenen Gesamtstrom des Elektronenstrahls nur mehr einen vorgegebenen Teil (R) davon von etwa 50% oder weniger beträgt, wobei das zeitliche Verhalten der Abnahme des Probenstroms (Ip) und des Gesamtstroms (Ie) verschieden ist, die Abnahmegeschwindigkeit des Gesamtstroms (Ie) sich von einem Bereich (I) schneller anfänglicher Abnahme über einen Bereich (II) moderater Abnahme zu einem Bereich (III) schneller Abnahme ändert, und der Schnellverdampfungszeitpunkt (τ_f) etwa mit dem Übergang von dem Bereich (II) moderater Abnahme zu dem Bereich (III) schneller Abnahme übereinstimmt.
Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen nach Anspruch 1, wobei das Evakuierungssystem (11) dazu ausgelegt ist, den Druck in der Vakuumkammer (2) auf einem Wert von 10^–9 Pa oder besser zu halten.
Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, in einer gegebenen Zeitspanne den Strom einmal oder mehrmals durch das Filament (6) fließen zu lassen, wobei sich die Temperatur der Feldemissions-Elektronenquelle (1) aufgrund des Aufheizens durch den Stromfluss auf wenigstens 1500 K erhöht.
Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, keine Steuerung für das Fließenlassen eines Stroms durch das Filament (6) auszuführen, während ein von einer Probe abgegebenes Signal aufgenommen wird.
Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, keine Steuerung für das Fließenlassen eines Stroms durch das Filament (6) auszuführen, während die Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen betrieben wird.
Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen einen Monitor und eine Bedienungseinheit (5) enthält, die Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, auf dem Monitor eine Nachricht anzuzeigen, die dazu auffordert, einen Strom durch das Filament (6) fließen zu lassen, wenn der Gesamtstrom (Ie) der Feldemissions-Elektronenquelle (1) im Vergleich zu dem unmittelbar nach der Elektronenstrahlemission erhaltenen Gesamtstrom (I_e0) oder dem unmittelbar nach einem Stromfluss durch das Filament (6) erhaltenen Gesamtstrom nur mehr den vorgegebenen Teil (R) davon oder weniger beträgt, und die Bedienungseinheit (5) einen Startknopf aufweist, mittels dem ein Bediener das Fließen des Stroms durch das Filament (6) manuell auslösen kann, nachdem die Nachricht auf dem Monitor angezeigt wurde.
Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen nach Anspruch 1, wobei die Extraktionselektrode (3), die dazu ausgelegt ist, den Elektronenstrahl aus der Feldemissions-Elektronenquelle (1) zu emittieren, aus einem dünnen Metalldraht besteht, auf der Masseseite ein Faraday-Becher (23) vorgesehen ist, der vom Elektronenstrahl getroffen wird, und wobei zwischen dem Faraday-Becher (23) und Masse ein Amperemeter (14) angeordnet ist.
Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen nach Anspruch 2, wobei die Teile in der Vakuumkammer (2) und die Vakuumkammer (2) unter Verwendung von Materialien hergestellt werden, die auf wenigstens 300°C aufgeheizt werden können, und einem Ausgasen bei einer Temperatur von wenigstens 300°C in einem Vakuumofen, in dem ein Druck von 10^–3 Pa oder besser aufrechterhalten wird, für wenigstens eine Stunde unterzogen werden.
Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen nach Anspruch 2, wobei für das Evakuierungssystem (11) zusammen mit einer Ionenpumpe (17) mit einer Absauggeschwindigkeit von wenigstens 1 l/s eine nichtverdampfende Getterpumpe (16) verwendet wird.
Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen nach Anspruch 2, wobei für das Evakuierungssystem (11) zusammen mit einer Ionenpumpe (17) eine Titan-Sublimationspumpe (18) verwendet wird.
Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen nach Anspruch 2, wobei für das Evakuierungssystem (11) eine Kryopumpe (19) verwendet wird.
Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen nach Anspruch 2, wobei das Evakuierungssystem (11) umfasst eine erste Stufe mit einer Turbomolekularpumpe (21) mit einer Absauggeschwindigkeit von wenigstens 100 l/s; eine zweite Stufe mit einer Turbomolekularpumpe (22), die am Auslass der Turbomolekularpumpe der ersten Stufe (21) angeordnet ist; und eine Vorpumpe (23) am Auslass der Turbomolekularpumpe der zweiten Stufe (22).
Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen, mit: einer Feldemissions-Elektronenquelle (1) mit einem <310>-Wolfram-Einkristall; einer Vakuumkammer (2) für die Feldemissions-Elektronenquelle (1); einer Extraktionselektrode (3) zum Durchlassen eines Probenstroms (Ip) als Teil eines Gesamtstroms (Ie), der von der Feldemissions-Elektronenquelle (1) emittiert wird; einem Evakuierungssystem (11) zum Evakuieren der Vakuumkammer (2); einem Filament (6), das mit der Feldemissions-Elektronenquelle (1) verbunden ist und durch das zum Aufheizen der Feldemissions-Elektronenquelle (1) ein Strom fließen kann; einer Stromversorgung (7) für den Strom durch das Filament (6); und einer Steuereinheit (4) zum Steuern der Stromversorgung (7) für den Strom durch das Filament (6), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahren: der von der Feldemissions-Elektronenquelle (1) emittierte Gesamtstrom (Ie) durch ein Amperemeter (8) gemessen und die Messwerte zu der Steuereinheit (4) gesendet werden; und durch die Steuereinheit (4) die Stromversorgung (7) derart gesteuert wird, dass durch das Filament (6) zu einem Schnellverdampfungszeitpunkt (τ_f) ein Strom fließt, wenn der periodisch durch das Amperemeter (8) gemessene Gesamtstrom (Ie) im Vergleich zu dem unmittelbar nach der ersten Elektronenstrahlemission erhaltenen Gesamtstrom (I_e0) oder dem unmittelbar nach einem Stromfluss durch das Filament (6) erhaltenen Gesamtstrom des Elektronenstrahls nur mehr einen vorgegebenen Teil (R) davon von etwa 50% oder weniger beträgt, wobei das zeitliche Verhalten der Abnahme des Probenstroms (Ip) und des Gesamtstroms (Ie) verschieden ist, die Abnahmegeschwindigkeit des Gesamtstroms (Ie) sich von einem Bereich (I) schneller anfänglicher Abnahme über einen Bereich (II) moderater Abnahme zu einem Bereich (III) schneller Abnahme ändert, und der Schnellverdampfungszeitpunkt (τ_f) etwa mit dem Übergang von dem Bereich (II) moderater Abnahme zu dem Bereich (III) schneller Abnahme übereinstimmt.