DE2235903A1

DE2235903A1 - Niedervolt-feldemissions-rasterelektronenmikroskop

Info

Publication number: DE2235903A1
Application number: DE2235903A
Authority: DE
Inventors: Vincent John Coates; Leonard Melvin Welter
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: Nanometrics Inc
Priority date: 1970-06-15
Filing date: 1972-07-21
Publication date: 1973-03-01
Also published as: GB1378554A; US3678333A; NL165604C; DE2129636C2; NL7209179A; US3784815A; FR2149412A1; AU466190B2; FR2149412B1; AU4319672A; CA950592A; NL165604B; NL161297C; NL161297B; DE2129636A1; NL7108096A; GB1355365A; FR2099295A5; DE2235903C2

Description

Dlpl.-Ing. Heinz Bardehle

Palentanwalt HBoehen 22, Bcnr.«r. 15, Tel. 292558

Postanschrift Mönchen 26, Postfach 4 2235903

München, den 21. Juli 1972

Mein Z-iahen: P 1434

Anmelder: American Optical Corporation 14 Mechanic Street
Southbridge, Massachusetts USA

Niedervolt-Feldemissions·-Rasterelektronenmikroskop

Die Erfindung bezieht sich auf elektronenoptische Systeme und insbesondere auf einen Feldemissionselektronenerseuger, der in der Lage ist, einen niedervoltigen Strahl fokusier- ter Elektronen zu erzeugen. In der am 15. Juni 197o von der Anmelderin eingereichten US-Patentanmeldung mit der Serial- Nr. 46 425 wurde ein- Rasterelektronenmikroskop beschrieben, das eine Felderaissionsspitee als Elektronenquelle aufweist. Die Verwendung der Peldemissionsspitse ermöglicht die Bildung eines sehr intensiv fokusierten Strahlsgeladener Teilchen, durch die intensive Bestrahlung gewährleistet ist^die in der Rasterraikroskopie benötigt wird_o Die erwähnte Patentanmeldung ist in erster Linie auf ein System gerichtet,, das

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den hohen Anforderungen an das Vakuum (in der Nähe von

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Io Torr) gerecht wird und dieses aufrechterhält, und das für die hohe Spannungsabschirmung sorgt, die erforderlich ist, um ein Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop zuverlässig betreiben zu können. Normalerweise bewegen sich die Beschleunigungsspannungen, die zum Betrieb des beschriebenen Rasterelektronenmikroskops wie auch anderer ähnlicher Einrichtungen zur Anwendung kommen, im Bereich zwischen 5ooo und loo ooo Volt. Dasselbe gilt für die Beschleunigungsspannungen, die in üblichen Rasterelektronenmikroskopen verwendet werden, welche von thermionischen oder von Fadenstrahlerzeugern zur Versorgung mit den notwendigen Elektronen Gebrauch machen. Man kann ohne weiteres abschätzen, daß die Verwendung solch hoher Beschleunigungsspannungen, insbesondere in der Nachbarschaft von loo ooo Volt, eine ganze Reihe von Problemen aufwirft.Das Objekt wird oft durch die Strahlen, die Partikel mit solch hohen Energien enthalten, zerstört, und in vielen Fällen wird die Morphologie des Objektes derart einschneidend verändert, daß Zweifel an der Zuverlässigkeit der erhaltenen Ergebnisse entstehen. In noch anderen Fällen, wenn nämlich leitende Oberflächen zu untersuchen sind, bewirkt die Verwendung von Strahlen mit hoher Energie "Auflade"-Bedingungen, d.h. die elektrostatische Aufladung, die an der Oberfläche durch den Elektronenstrahl hervorgerufen wird, kann nicht abgeleitet werden. Im Falle der Verwendung bekannter thermionischer Strahlerzeuger führen Versuche, die Beschleunigungsspannung zu erniedrigen, entsprechend den elektrooptischen Effekten zu einer drastischen Verringerung der Strahlstromintensität und der Brennpunkt nimmt größere Ausmaße an, wobei beide Effekte letztlich zu einem Verlust an Auflösungsvermögen führen. Im Falle bekannter Raster-Elektronenmikroskope vom Feldemissions-

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typ wirft ,während es spürbar unter dem Gesichtspunkt der Intensität und der Brennpunktgröße verbessert wird, der Brennpunkt des Strahls ein virtuelles oder reelles Bild, das innerhalb der Linsen liegt und daher nicht auf das zu untersuchende Objekt auftreffen kann. Durch die Erfindung ist eine neue Art gefunden worden, ein reelles Bild eines intensiven Strahls von Partikeln niedriger Energie herzustellen, deren Brennpunktebene mit dem Objekthalter des Rasterelektronenmikroskops zusammenfällt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Niederspannungs-Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop anzugeben, das einen Strahl geladener Partikel erzeugt, der bei hoher Intensität eine geringe Strahlenergie hat. Darüber hinaus soll durch die Erfindung eine Methode angegeben werden, durch die in einem Raster-Elektronenmikroskop ein Strahl geladener Teilchen erzeugti^ird, bei dem die Intensität hoch und die Teilchenenergie gering ist= Außerdem soll ein FeIdemissions-Rasterelektronenmikroskop konzipiert werden, das in der Lage ist, einen derartigen Elektronenstrahl zu erzeugen. Bei einem derartigen Elektronenmikroskop soll auch die Neigung zu Hochspannungsdurchschlägen verringert sein und es sollen Objekte beobachtet werden können, die gegen eine Zerstörung durch den Strahl anfällig sind. Außerdem soll ein Raster-Elektronenmikroskop so ausgestaltet sein, daß es insbesondere für die Spiegelrasterung von Objekten geeignet ist.

Die Erfindung betrifft also ein Feldemissiöns-Raster-Elektronenmikroskop und ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Feldemissionsspitze zur Erzeugung der geladenen Teilchen, durch eine Elektrode, die mit dieser Feldemissionsspitze axial fluchtet, durch eine zwischen der Feldemissions-

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spitze und der Elektrode angeordnete Zwischenelektrode, die mit der Elektrode zusammen eine Feldlinse zum Fokusieren der von der Feldemissionsspitze erzeugten geladenen Teilchen bildet, durch Potentialquellen zur Erzeugung von Spannungen an der Feldemissionsspitze, der Elektrode, der Zwischenelektrode und zum Hervorrufen der Extraktion, der Beschleunigung und zum Aufbau des Fokusierungsfeldes, wobei das Potential der Elektrode in Bezug auf die geladenen Teilchen niedriger als dasjenige der Zwischenelektrode und derart gewählt ist, daß ein reeller Brennpunkt der geladenen Teilchen an einer außerhalb der Feldlinse auf der der Feldemissionsspitze abgewendeten Seite befindlichen Stelle erzeugt wird, wodurch ein intensiver Strahl von Teilchen niedriger Energie entsteht. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Strahls von geladenen Teilchen niedriger Energie und hoher Intensität angegeben, die durch einen Feldemissionsstrahl+«rzeuger in Form einer Feldemissionsspitze als Strahlquelle erzeugt werden. Entsprechend dieser Methode werden die Extraktions-, Beschleunigungs- und Fokusierungspotentiale an die Feldemissionsspitze, die .Elektrode und die Zwischenelektrode angelegt, die alle miteinander axial fluchten. Die Zwischenelektrode ist dabei zwischen der Feldemissionsspitze und der Elektrode angeordnet. Das hierbei entstehende Feld wird dazu ausgenutzt, einen Strahl geladener Teilchen,die von der Feldemissionsspitze erzeugt werden, zu fokusieren. Das Potential der Elektrode wird so gewühlt, daß mit der Zwischenelektrode zusammen in Bezug auf die geladenen Teilchen ein negatives Linsenfeld aufgebaut wird, wobei ein realer Brennpunkt der geladenen Teilchen außerhalb des Linsenfeldes und auf der der Feldemissionsspitze abgewendeten Seite entsteht. Die Teilchen im Brennpunkt des Strahls weisen eine niedrige Energie,jedoch eine hohe Dichte auf.

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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung auf Figuren Bezug genommen. Ea wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Rahmen der Erfindung nicht einerigen sollen.

Die Figur 1 zeigt das Funktionsschema eines Feldemissions-Rastermikroskops gemäß der Erfindung. Die Figur 2 zeigt den Querschnitt eines typischen FeIdemissions-Rasterelektronenmikroskops« Die Figur 3 zeigt die teilweise Ansicht einer Elektrodenanordnung, wie sie zur Realisierung der Erfindung geeignet ist.

Die Figur 4 zeigt das Funktionsschema eines Objektes, das entsprechend einer besonderen Betriebsart des erfindungsgemäßen Feldemissions-Rastermikroskops untersucht wird.

In den Zeichnungen sind übliche Symbole verwendet, außerdem sind gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Teile in den einzelnen Ansichten verwendet. Die Zeichnungen dienen der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung und entsprechen daher nicht in allen Fällen den praktischen Ausführungsformen, sie sollen vielmehr in erster Linie die Unterschiede des Gegenstandes der Erfindung zum Stand der Technik verdeutlichen.

Das elektronenoptische System gemäß Figur 1 ist in Form eines Rasterelektronenmikroskops Io aufgebaut. Dieses Elektronenmikroskop weist einen Feldemissionsstrahlerzeuger auf, der an die vorliegende Erfindung angepaßt ist. Es ist wichtig, an diesem Punkt darauf hinzuweisen, daß dor Feldemissionsstrahlerzeuger des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels zwar dazu verwendet wird, Elektronen

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als bestrahlende Partikel zu erzeugen, es aber auch möglich und in einigen Fällen notwendig ist, da.C derselbe Erzeuger dazu benutzt wird, andere geladene Partikel, wie positive Ionen, zu erzeugen, um Objekte spezieller Natur beobachten zu können oder um Angaben zu erhalten, die durch die Verwendung einea Elektronenstrahls nicht mit letzter Sicherheit erhalten worden können. Wenn der Feldemissionserzeugor als Quelle für positiv geladene Partikel verwendet wird, ist es natürlich notwendig, daß die Extraktionsspannungen und die Fokusierungsfelder umgepolt werden, damit die notwendigen Extraktions-Beschleunigungs- und Fokusierungskräfto erhalten werden. Zusätzlich zu dem Rastorelektronenmikroakop ist eine Potentialquelle 11 mit Elementen dargestellt, die die verschieden hohen Spannungen an die Elektroden des Rastermikroskops Io liefern und die für den Betrieb desselben notwendig sind. Eine zweite zusätzliche, Einheit, der Video-Empfänger 29, erzeugt in Zusammenarbeit mit den Abtast- und Detektortoilen des Rasterelektronenmikroskops Io das Bild des untersuchten Objektes.

Die Feldelektronenemissionsspitze 21 stellt das Herz des Feldelektronenemissions-Rastermikroskops dar. Sie erzeugt einen in hohem Maße kohärenten Elektronenstrom hoher Intensität, der zu einem Punkt mit dem gewünschten Auflösungsvermögen auf der Bildebene fokusiert werden kann, um das Objekt 10 zu bestrahlen. Das Objekt 10 iot als von einem Objekthaitor 17 getragen dargestellt, welcher dieses in einer bestimmten Lage in Bezug auf den fokusierten Elektronenstrahl 13 hält. Der Strahl der Elektronen oder geladenen Teilchen 13 wird in erster Linie durch die Wirkung der Anoden 23 fokusiert, die eine Zwischenelektrode darstellen, welche sich zwischen der Feldelektronenemissionsspitze 21 und einer Elektrode 24 befinden, welche ihrerseits in Bezug

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auf die FeldelektronenemissionöäBpitze 21 jenseits der Zwischenelektrode 23 angeordnet ist. Die Elektrode 24.und die Zwischenelektrode 23 erzeugen zusammen ein Feld 12, das als Fokusierungslinse auf den Strahl 13 wirkt» wenn dieser eich durch die öffnungen der Elektroden hindurch auf eine Auftreffplatte oder auf das Objekt 18 zu bewegt.

Die Hauptbeschleunigungsspannung Vo wird durch eine Spannungsquelle 28 erzeugt und der Elektrode 24 zugeführt, .-Ihre Größe igt entsprechend dem Potential der Feldelektronen* emissionsspitze 21 gewählt. Wenn die Vorrichtung als Raster«* elektronenmikroskop verwendet wird, ist das Potential der Elektrode 24 normalerweise positiv Und erzeugt eine Be<* schleunigungsspannung für die geladenen Teilchen„ insbesondere für die Elektronen_T Q^ie Potes$tialsHeilä %*$ gibt eine Spannung Vl an die ZwischeneBetrode 23 ab, deren Potential normalerweise niedriger als das Potential der Elektrode 24 in Bezug auf Jin Strahl 13 bildenden gelader nen Partikel liegt. Auf diese Weise herrscht im Normalbetrieb ein positives Feld zwischen der Elektrode 24 und der Zwischenelektrode 23, das dazu neigt, den Strahl 13 su einem Brennpunkt auf der Ebene des Objekts IS konvergieren zu lassen. Eine letzte Elektrode, nämlich die Extraktionselektrode 22, ist der Feldelektronenemissionsspitze 21 am nächsten benachbart angeordnet und weist genau so wie die Elektrode 23 und die Zwischenelektrode 24 eine mittige öffnung auf, die mit der Feldelektronenemissionsspitze 21 axial fluchtet. Der Strahl 13 wird dadurch gebildet, daß die geladenen Teilchen von der Feldelektronenemissionsspitze 21 aus sich durch die Öffnungen in der Extraktionselektrode 22, der Zwischenelektrode 23 und der Elektrode 24 hindurchbewegen. Die Pctentialquelle 26 liefert eine Spannung Vl, die im wesentlichen der Spannung Vl der Po-

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tentialquelle 27 gleicht und erzeugt das Extraktionsfeld für die Feldelcktronenemissionsspitze 21. Wenn die Anordnung im Elektronenbetrieb verwendet wird, ist diese Spannung natürlich positiv und erzeugt eine extrem hohe Felddichte in der Nachbarschaft der Feldelektronenomissionsspitze 21, welche ein spitzes Ende mit einem Radius von
ungef. looo A aufweist. Es ist selbstverständlich zu beachten, daß dann, wenn die Anordnung als Quelle positiv
geladene Partikel verwendet wird, die Spannung Vl den
entgegengesetzten Potentialwert aufweisen muß und dann ein in entgegengesetzter Richtung polarisiertes Feld erzeugt, das die notwendige Intensität hat, um die Molekülzusammenstoße hervorzurufen, bei denen Ionen oder andere geladene Partikel entstehen.

Das Linsensystem 16 ist in erster Linie zur Steuerung des Strahls 13 bestimmt, um das Abtasten des Objektes 18 in der vorgegebenen Art und Weise zu ermöglichen. Das Linsensystem 16 weist im wesentlichen Ablenkplatten auf, die gegenüber dom Abtastsystem des Video-Empfängers 29 eine gleiche
Neigung aufweisen und. die dadurch in die Rasterung des
Objektes 18 und in die Rasterung des Videofeidos des
Empfängers 29 eingreifen. Detektoren 14 und 15 sind so
angeordnet, daß sie Informationssignale, die von der Oberfläche des Objektes 18 ausgehen oder durch dieses hindurchgetreten sind, empfangen oder anzeigen. Informationssignale bezüglich des Objektes 18 können dadurch erhalten werden, daß hindurchgetretene Elektronen, wie im Falle eines DurchstrahlungsmikroskopGS, Sekundärelektronen, reflektierte
Elektronen, absorbierte Elektronen, Photonen oder Röntgenstrahlen, die teilweise oder alle durch den auftreffenden Strom von Elektroden oder anderer geladener Teilchen erzeugt werden, angezeigt werden. Diese Detektoren 14 und 15, die in den meisten Fällen vom Scintillationstyp sind, werden

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dazu verwendet, eines der Informationssignale zu empfangen, das dann dazu verwendet wird, die Intensität bei der synchron getasteten Bildröhre des Video-Empfängers 29 zu modulieren, der einen Kippgenerator enthält, damit ein Bild des Objektes 18 erzeugt werden kann.

Im Verlaufe der nachfolgenden Beschreibung und insbesondere, wenn Beispiele bzw. Betriebsarten betrachtet werden, wird die Vorrichtung lediglich im Elektronenbetrieb beschrieben, d.h. nur für den Fall, daß die Feldemissionsspitze 21 zur Erzeugung von Elektronen verwendet wird. D.h. jedoch nicht, daß die Austauschbarkeit der Systeme auf den einen oder auf den anderen Betrieb begrenzt ist.

Die noch verbleibenden in der Figur 1 dargestellten Elemente sind eine Entladeabschirmung 2o und eine Sublimationsspule 19. Die Entladeabschirmung 2o findet vor allem dafür Verwendung, bei hohen Spannungen mögliche Entladungen von der äußeren Kammer 14 nach der Extraktionselektrode 22 und nach der Feldemissionsspitse 21 zu verhindern, außerdem dient diese Abschirmung als Kondensierungsfläche für Titanium oder andere Materialien geeigneter Eigenschaften, die durch die Subliraationsspule sublimiert werden. Wenn das sublimierte Material auf der Oberfläche der Abschirmung 2okondonaiert_s stellt es ein Material dar» das mit den gasförmigen Bestandteilen in der Nachbarschaft der Feldemissionsspitze sich verbindet und dabei das Vakuum erniedrigt. Die Sublimationsspule 19 ist selbstverständlich Bestandteil eines Evakuierungssystems, der zusammen mit dem in der Nachbarschaft der Feldemissionsspitze 21 zwangsläufig auftretenden Ionenpumpvorgang ein Vakuum

_q —lo

in der Größenordnung von Io bis Io Torr aufrechterhält und dabei eine verlängerte und zuverlässige Tätigkeit der Feldemissionsspitze 21 als Elektronenquelle;

ί η ü on π' (ι 7 :j I₁

- Io -

sicherstellt. Es braucht nicht erwähnt zu werden, daß die Erfindung bzw. die von der Anmelderin in dieser Anmeldung gelieferten Beiträge in gewissem Maße die Hotwendigkait für eine Hochspannungsabschirmung vermeidet, iivdem die Beschleunigungsspannung verringert wird, die erforderlich ist, um einen fokusierten Elektronenstrahl von hoher Intensität auf der.; su beobachtenden Objekt zu erhalten.

Bevor eine Beschreibung der Funktionsweise durch Erläuterung der wichtigsten Elemente der Erfindung gegeben wird, wird das Feldemissions-Rasterelektronenraikroskop gemäß Figur 2 betrachtet. Innerhalb der Vakuumkammer 41 und insbesondere des Hochvakuumbereichs 41A befindet sich die Fcldemissionsspitzo 21, die die Elektronenquelle darstellt. Die Feldemissionsspitze 21 ist normalerweise geätzt und erfordert keine Heizspannung bzw. Heizenergie, um Elektronen zu emittieren, ihre Ausbildung hängt jedoch von der Formation des Extraktionsfeldes in der Nachbarschaft ihres äußersten Spitzenbereiches ab, welcher einen Radius von

looo Λ aufweist. Wenn das Feld, das in diesem Bereich aufgebaut worden ist, ausreichend groß ist, um die Austrittsarbeit des Metalls, das normalerweise Tfolfrara ist, und das durch die emittierten Elektronen aufgebaute Bremsfeld zu überwinden, dann arbeitet die Foldomissionsspitzo 21 als Quelle für einen in hohem Grade konstanten Elektronenstrom hoher Intensität.

Die Feldemissionsspitze 21 ist ao gehalten, daß sie entlang den X, Y und Z-Ebenon bewegt werden und zum Zwecke ihres Austausche entfernt werden kann. Wie in Figur 2 gezeigt, weist die Spitzonhalterung 55 oino V-förmigo Fassung 51 auf, an der die Spitze 21 befestigt Ist. Eine Isolationsschoibc Γ>4 nimmt dio Elektrode 53 auf, die an der Spitze 21 befestigt ist und die mit rUoaer Inolationa3cheibe 54

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mittels eines geeigneten Befestigungselementes wie zum Beispiel ein Schraubelement 57 verbunden ist. Die Spitze 21, die Scheibe 54 und die Elektrode 53 haben die Form eines Kegels, der lösbar am jenseitigen Ende eines Stempels 55 angebracht ist. Das obere Ende des isolierenden Stempels 55 ist fest mit einem Metallschaft 6ο verbunden, der eine Kappe 6o2\mit einer nach unten ragenden Flanke hat, welche innerhalb des oberen Endes des Stempels 55 befestigt ist. Δη die Kappe 6oä ist eine Art Barometerdose angeschweißt, die zusammen mit der Hochvakuumkammer eine Vakuuiribegrenzung bzw. Vakuumabdichtung darstellt, die sowohl eine axiale als auch eine quergerichtete Bewegung der Spitzenhalterung So ermöglicht. Das federnde, die Form einer Baromterdose aufweisende Blech ist direkt an das eine Ende der Kappe 62 angeschweißt, wodurch die Vakuumabdichtung vollständig wird. Den Metallschaft 5o umgibt eine Hülse 63, die sich in einer Öffnung 64 der Kappe 62 befindet. Von der Kappe 62 beabstandet ist eine Tragplatte 65 angeordnet, die eine geeignete Öffnung zur Aufnahme des Schaftes 6o und der Hülse 63 aufweist. Ein Knopf 68, der mit dem oberen Ende des Schaftes 6o vercchraubt ist, erzeugt eine axiale Bewegung der Spitzenhalterung 5o, während Einstellschrauben 66 die Platte 65 neigen und dabei eine Bewegung in den X- und Y-Ebenen erzeugen, um die Vorrichtung mit den Öffnungen der verschiedenen Anoden des Mikroskops fluchten zu lassen, und zwar insbesondere der Extraktionselektrode 22, der Zwischenelektrode 23 und der Elektrode 24.

Unterhalb der Spitze 21 befindet sich imjtfiodervakuumbereich 4IB der Vakuumkammer 41 die Zwischenelektrode 23, die eine zentrische Öffnung 84 aufweist, welche mit der Feldemissionsspitze 21 fluchtet. Eine zweite Elektrode 24 befindet sich noch weiter unten, unterhalb der Zwischenelek-

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trode 23 und weist in ähnlicher Weise eine Öffnung Io6 auf, die mit der Feldemissionsspitze 21 fluchtet.

Eine dritte Elektrode bzw. genauer gesagt, eine Entladeabschirmung 9o befindet sich innerhalb des Hochvakuumbereiche 41Δ und umgibt bzw. schützt die Feldemissionsspitze 21 vor vorzeitiger Beschädigung, die aufgrund von Hochspannungsentladungen auftreten kann. Die Entladeabschirmung 9o ist mit einem Ausgangsanschluß 77 des Hochspannungsisolations-Stückes 78 verbunden. Auf diese Weise befindet sie sich etwa auf demselben elektrischen Potential wie die Feldemissionsspitze 21, was aus Figur 1 hervorgeht. Die vierte Elektrode bzw. die Extraktionselektrode 22, die sich innerhalb der Kammer 41 befindet, ist im wesentlichen innerhalb der Entiadeabschirmung 9o angeordnet. Wenn an dier Ixtraktionselektrode 22 eine Spannung angelegt wird, entsteht ein Extraktionsfeld und es werden aus der Feldemissionsspitze 21 Elektronen abgesaugt. Die Extraktionselektrode 22 ist es, die eine normale Elektronenemission ermöglicht, wenn die Sntladeabschirmung 2o die Foldemissionsspitze 21 als Schutz gegen übermässige Spannungsausgloichsvorgänge umgibt. Die Spannungen, die erforderlich sind, um an den Elektroden eier Elektronenschleuder die erforderlichen Potentiale aufrecht zu erhalten, werden durch eine Hochspannungsversorgung 11 geliefert, die mit der Vakuumkammer über Anschlüsse 77 und 79 mittels dos Hochspannungsisolationsverbindungsstückes 78 in Verbindung steht. Der Anschluß 77 3-st sowohl mit der Elektrode 53 als auch mit der Abschirmbzw. Entladeelektrode 2o verbunden. Der Anschluß 79, welcher der Hochspannungsquelle Vl der Figur 1 entspricht, ist über eine Leitung 82 mit der Extraktionselektrode 22 verbunden, welche ihrerseits über einen Widerstand C3, an dem Spannung abfällt, mit der Zwischenelektrode 23 verbunden ist.

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Dieser Widerstand 83 dient dasu, die Spannung der Sxtrak-' tionselektrode 22 auf einem Normalwert Vl zu halten, wenn die'so Hochspannungsentladungen ausgesetzt ist. Das Aufrechterhalten der Spannung Vl an der Extraktionselektrode 22 verhindert eine Entladung von dieser Elektrode zu der Feldemissionsspitze 21 und darait daraus resultierende Beschädigungen der Spitze.

Die Anordnung Io2 gemäß Figur 2 stellt eine Einsetsvorrichtung für die Gleitplatten llo dar_? die der Öffnungsgrö°>eneinstellung dienen. In Abhängigkeit von dor für das zu untersuchende Objekt erforderlichen Strahlgröße entsprechend der gewünschten Auflösung kann mit dem Mechanismus Io2, der eine Einstellschraube und geeignete Dichtungselemente, wie zum Beispiel ein barometerdosenartiges Element sowie "O"-Ringe aufweist, die Öffnungsgrößeneinstellplatte llo quer zur Achse der Fokusierungseiektroden soweit bewegt werden, bis die gexvünschte Öffnungsgröße eingestellt ist. Dia untere Kammer Io3 ist die eigentliche Objektkammer. In ihrem Inneren befinden sich sowohl das zu untersuchende Objekt _e als auch jene Anzeige-Giemente, die erforderlich sind, um die notwendigen oder gewünschten Angaben über die Partikelemission und die vom Objekt ausgehende Emission zu erhalten«. Die Kanffaer Io3 ist gegenüber deta Hauptgehäuse des Elektronenmikroskops durch ein geeignetes Dichtungselement in Form eines "0^M-Rings abgedichtet. Wenn jedoch eine Austauschmöglichkeit für das Objekt "erforderlich ist, muß, um eine Verunreinigung der strahlformenden Teile des Rasterelektronenmikroskops zu verhindern, ein Mechanismus lol vorhanden sein« Dieser Mechanismus lol ähnelt dem öffnungssteuerungsmecfaanismus Io2 und weist eine Einstellschraube,, eine geeignete Druckdose und eine Dichtung in Form eines "0"-Rings auf,, damit eino Verbindung mit'der Außenluft verhindert ist« Seiner

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Natur nach stellt dieser Mechanismus lol ein Ventil dar, welches quer ^ur Öffnung bewegt wird, durch die sich der Strahl in der Linse 16 hindurchbewegt, wodurch verhindert wird, daß der Hauptteil der Kammer 41 mit der Aui3enluft in Verbindung kommt, wenn in die Kammer Io3 Luft eintritt.

Eine Ionenpumpe Io4 sorgt im Zusammenwirken mit einer Sublimations-Getter-Pumpe 19 durch einen gemeinsamen Ionenpumpvorgang in der Umgebung der Feldemissionsspitse 21 für das notwendige extrem niedrige Vakuum, das für die ordnungsgemäße Wirkungsweise eines Feldemissions-Rastermikroskops notwendig ist. Zunächst wird durch die lonen-

-7 pumpe auf einenWert von annähern Io gepumpt. Wenn dieser Wert erreicht ist, wird der weitere Pumpvorgang durch Sublimierung von Getter-Material durch einen Sublimationsring bewirkt. Jener wird über den HochspannungsanSchluß 77 aktiviert. Das sublimierte Material kondensiert auf dem inneren Teil bzw. auf der Oberfläche der Entladungsabschirmung 2o und bettet entweder verunreinigende Moleküle in sich ein oder verbindet sich mit denselben, um sie

die
von der Feldemissionsspitzo 21 umgebenden Atmosphäre zu entfernen. Gleichzeitig bewirken die aus der Feldemissionsspitze 21 herausgerissenen Elektronen oine Ionisation der Gasmoleküle in ihrer Nachbarschaft, die dabei entstehenden Ionen werden daraufhin zu der Abschirmung 2o hingezogen und gegebenenfalls in dem von der Sublimationsspule 19 sublimierten Material eingebettet. Dieser Goiter-Pumpvorgang, der mit dem Ionenpumpvorgang kombiniert ist und innerhalb des Feldes der Feldemissionselektrode durchgeführt wird, hält für dieselbe eine an Verunreinigungen freie Umgebung aufrecht, und bewirkt außerdem, daß in dieser Umgebung der geringste Druck des ganzen Systems von etwa lo~ bis lo""^°^nerrscht. Dies hat die Stabilität des Feldes der Emissionsspitze 21 und eine stark verlängerte Lebensdauer und Effektivität derselben zur Folge. Die

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Kammer löo, die die Feldemissionsspitzenanordnung 5o umgibt, dient dazu, Kühlflüssigkeiten aufzunehmen, die einem Kryopumpvorgang dienen, der in der Nachbarschaft.der Feldemi ssionsspitse 21 wirksam ist. Wenn auch dieser Kryopumpvorgang die Evakuierung des Systems vergrößert, so ist dafür dennoch keine besondere Anpassung der Einrichtung erforderlich ο · .

Zur Erläuterung der Funktionsmerkmale des von der Anmelderin angegebenen neuartigen Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops wird die Figur 3 herangezogen, die eine typische Elektroden-Feldemissionsspitsen-Konfiguration und -Geometrie zeigt. Bei der Erläuterung dieser typischen Konfiguration muß daran.erinnert werden, daß sie derjenigen, die auch in den Systemen der Figuren 1 und 2 vorhanden ist, entspricht und daß daher dieselben Zusatzeinrichtungen und elektrischen Verbindungen au den Potantialquellen vorhanden sind. In Figur 3 ist eine Feldemissionsäpitze gezeigt, die axial mit Öffnungen in der Extraktionselektrode 22, in der Zwischenelektrode 23 und in der Elektrode 24 fluchtet» Außerdem ist das Linsensystem 16 gezeigt, das der punktzentrischcn Korrektur und der Beugung des Strahls dient, außerdem ist die Platte Ho gezeigt, die der Veränderung der Öffnungsgröße dient. Bei allen bisher verfügbaren Rasterelektroneninikroskopen wurde eine Beschleunigungsspannung von 5ooo bis loo ooo Volt sin die Elektroden 24 angelegt, an dor Zwischenelektrode lag ein Potentialyowisehen 5oo und 35oo Volt bzw. von 2ooo Volt Nominalwert und etwa dasselbe Potential von 2ooo Volt Nominalwert wurde an die Extraktionselektrode 22 angelegt. Die entsprechenden Felder hatten die Ausbildung eines von der Feldemissionsspitze ausgehenden Strahls hoher Intensität zur Folge und bewirkten eine Fokusierung dieses Strahls in einer Entfernung S von dor Austrittsöffnung der Elek-

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trode 24. An dieser Stelle sei bemerkt, daß die Geometrie der Elektrodenkonfiguration dem Optimalwert entspricht, wie er von J.W.Butler errechnet und von A.V.Crewe, D.N.Eggenbergcr, J. Wall und L.M. Welter unter dem Titel "Electron Gun Using a Field Emission Source",Volume 39, Nr. 4, in der Zeitschrift "The Review of Scientific Instruments", April 1968, Seite 58o beschrieben worden ist. Wenn die Elektrode 24 und die Zwischenelektrode 23 in dieser Weise angeordnet sind und wenn das Verhältnis der Spannung Vo an der Elektrode 24 und der Spannung Vl an der Zwischenelektrode 23 Io zu 3 beträgt, wenn zwischen der Elektrode 24 und der Zwischenelektrode 23 ein axialer Abstand von ungef. 2 cm ist, wenn der Abstand zwischen der Zwischenelektrode 23 und der Feldemissionsspitze 1 bis 3 cm beträgt (diese Abstände können jedoch bei speziellen Anwendungen erheblich variieren), entsteht unterhalb der Elektrode 24 von der Emissionsspitze 21 entfernt ein reelcs Bild bzw. ein Brennpunkt dos Strahls 13. Wenn die Spannung Vo der Elektrode 24 auf ein Verhältnis von Io in Bezug auf die Spannung Vl erniedrigt wird, geht der Bildabstand S gegen unendlich, so daß eine für die Raster-Elektronenmikroskopie brauchbare Brennpunktgröße nicht mehr erhalten wird. Wenn dasselbe Verhältnis von Vo zu Vl über ungef. 3o ansteigt, wird der Bildabstand S negativ und der Brennpunkt wird innerhalb des die Elektrode 24 und die Zwischenelektrode 23 umfassenden Linsensystcans erzeugt und wird daher für die untersuchung eines Objektes unbrauchbar. Es ist einzusehen, daß in dem Bereich der Spannungsverhältnisse non Io bis 3o dar Elektronenstrahl aufgrund der Funktionseigenschaften der Feldemiseionsepitze 21 von hoher Intensität und relativ höher Energie ist und damit die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten mit sich bringt.

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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß, wenn man das Verhältnis von Vo su Vl beständig so weit verkleinert bis Vo niedriger als Vl ist und damit ein negatives Feld innerhalb des von der Elektrode 24 und der Zwischenelektorde 23 gebildeten Linsensystems in Bezug auf ein Elektronenteilchen erzeugt,außerhalb und auf der der Feldemissionsspitze 21 abgewendeten Seite wieder ein reeller Brennpunkt des Strahls erscheint, so daß der fokusierte Strahl nun zur Untersuchung des Objektes geeignet ist. In Bezug auf die besondere, in Figur 3 dargestellte Linsenkonfiguration wurde herausgefunden, daß dann, wenn die Spannung Vo der Elektrode 24 sich 3oo Volt nähert und wenn die Spannung Vl der Zwischenelektrode 23 annähernd 2ooo Volt beträgt, oder mit anderen Worten, bei einem Verhältnis von ungef. o,15, ungef. 5 cm von der öffnung der Elektrode 24 entfernt ein reelles Bild entsteht, d.h., daß der Bildabstand S 5 cm beträgt. Der Grund für die Bildung dieses reellen Brennpunktes bei einem Verhältnis von Vo zu Vl, das kleiner als 1 ist, kann nicht völlig geklärt werden. Ohne die vorliegende Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken und ohne irgendwie an die hier voran gestellten Theorien gebunden au Bein, wird die Hypothese aufgestellt, daß das innerhalb des durch die Elektrode 24 und die Zwischenelektrode 23 begrenzten Bereichs gebildete negative Feld auf den Strahl als negative Linse oder als Spiegellinsensystem wirkt und zur Folge hat, daß die Elektronen des Strahls zu einem Brennpunkt vor der Elektrode 24 gebeugt werden, wenn der Strahl Teilchen aufweist, deren Energie ausreichend ist, um die negative Linse zu durchqueren und durch die Öffnung der Elektrode 24 auszutreten. Die Makro-Analyse des Einflusses eines Spiegollinsensystems, das dem in Figur 3 dargestellten System entspricht, zoigfc di© Anwendbarkeit dieser Hypothese. Man muß sich jedocä darüber im klaren sein« daß eine derartige Analyse sehr stark vereinfachend ist, und daß die tatsächlichen Gründe und Theorien, die eine

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Basis für die Erfindung darstellen, erheblich komplexer und sogar von völlig anderer Natur sein können.

Wenn ein Feldemissicns-Rasterelektronenmikroskop in der oben stehend beschriebenen nouen Weise betrieben wird« ist es möglich, einen kloinen Brennpunkt von Elektronen zu erhalten, die lediglich auf wenige loo Volt beschleunigt sind, wobei die Stromstärken des Elektronenstroms jedoch ungef. dieselben sind, wie sie mit höheren Beschleunigungsspannungen erzielt werden. Der Feldemissicnsctrahlerseuger, der in der neuen Art betrieben wird, behält die hier beschriebenen Vorteile wie auch diejenigen Vorteile, die in der vorstehend erwähnten Patentanmeldung, Serial ITr. 46 425 angegeben worden sind. Das so betriebene Rasterelektronenmikroskop bietet eine Reihe von Vorteilen. Die zum Betrieb des Strahlerzeugers erforderlichen Spannungen haben einen viel geringeren Wert, womit die Notwendigkeit für komplizierte Vorkehrungen wegfällt, die dazu dienen, Spannungsentladungen zu vermeiden, die Teile dor Anordnung zerstören oder aber den Betrieb des Mikroskops unterbrechen können. Notwendigerweise hat dies geringere Kosten und die Verwendbarkeit eines vielgestaltigeren Feldes für die Anordnung wie auch eine größere Zuverlässigkeit zur Folge. Dartiber hinaus erlaubt die niedrigere Beschleunigungsspannung Vo im Zusammenwirken mit der Möglichkeit, einen Brennpunkt geringer Größe bei hoher Strahlstromstärke zu erzeugen, die Untersuchung von nichtleitenden Objekten, ohne dall das normalerweise auftretende Problem der "Aufladung" entsteht. Es ist herausgefunden worden, daß besonders brauchbare Bilder bei Spannungen Vo von nur mehreren loo Volt zusammen mit Spitzenspannungen, d.h. Spannungen Vl, die 5 oder Io mal größer als diese sind, erhalten werden können.

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Noch ein anderer nützlicher Aspekt der vorliegenden Anmeldung liegt darin, daß Objekte untersucht werden können, die einer direkten Einwirkung durch den Strahl nicht ausgesetzt werden dürfen. In Figur 4 ist der Objekthalter eines Systems dargestellt, der so angeordnet ist, daß eine direkte Einwirkung des Strahls auf.das Objekt 18 vermieden ist. Wie dargestellt, fokusiert der Strahl direkt oberhalb der Oberfläche des Objektes 18; die abgelenkten Elektronen werden von einem Detektor IC- empfangen, um in dem zusätzlichen Video-Empfänger 29 sichtbar gemacht zu werden. Der Objekthalter 15 und damit das Objekt 18 erhalten durch eine SpannungsquelleV3o eine Vorspannung. Die Vorspannung ist so gewählt, daß sie in ihrer Größe der Beschleunigungsspannung Vo des Systems gleicht und in ihrer Polarität derselben entgegengerichtet ist, so daß.die Elektronen des Strahls 13 so weit abgebremst werden, daß sie gerade oberhalb der Oberfläche des Objektes zum Stillstand kommen. Durch sorgfältige Einstellung der Vorspannung des Objektes 18 ist es möglich, die abgelenkten Basterelektronen entsprechend der Oberflächengestaltung oder der elektrostatischen oder magnetischen Eigenschaften der Oberfläche zu empfangen. Hiermit erhält man also eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien Untersuchen bzw. Betrachten der Oberfläche des Objektes 18, da der Elektronenstrahl 13 in keiner Weise unter hoher Spannung auf das Objekt 18 einwirkt. Eine derartige Spiegelmikroskopie ist durch die Bildung eines Strahls niedriger Energie möglich gemacht, dessen Intensität ausreicht, die gewünschte Auflösung und den gewünschten Kontrast herbeizuführen. Sie ist von besonderem Wert in solchen Fällen, in denen eine loo-prozentige Untersuchung der Teile erforderlich ist, in denen aber ein Aufprall des Strahls, durch den eine Beschädigung des Objektes oder eine Wechselwirkung mit demselben möglich sein könnte, nicht zulässig ist. Diese Art von Mikroskopie ist

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auch dann von bedeutendem Wert, wenn sie im Zusammenhang mit Objekten angewendet wird, die so empfindlicher Natur sind, daß die Energie des Strahls alleine merkliche Veränderungen in der Morphologie der Substanz hervorrufen könnte.

In kurzer Zusammenfassung kann gesagt werden, daß durch die Erfindung herausgefunden worden ist» daß durch Anwendung einer Beschleunigungsspannung Vo an der Elektrode 24 mit einem niedrigeren Potential als dasjenige an der Zwischenelektrode 23 in Bezug auf die geladenen Teilchen, die den Strahl fokusiert, ein Abbild des Strahls erhalten wird, das in einem Punkt außerhalb des Fokusierungsfeldes der durch die Elektrode 24 und die Zwischenelektrode 23 gebildeten Linse und auf der der Feldemissionespitze 21 abgewendeten Seite liegt. Diese erfinderische Erkenntnis in Bezug auf den Betrieb eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops führte zu einer Anordnung erheblich breiter gestreuter Anwendungsmöglichkeiten und vergrößerter Zuverlässigkeit. Sie führt zu einem schon lange von dor Industrie angestrebten Mikroskop, das in der Lage ist, die Morphologie und Topographie des Objektes abzutasten, ohne daß das Objekt dem Aufprall von Partikeln hoher Energie ausgesetzt ist. Es sei hier noch einmal wiederholt und hervorgehoben, daß die Erfindung, wie sie vorstehend anhand von Aueführungsbeispielen beschrieben worden ist, weder, was die Vorrichtungen noch was die Methoden anbetrifft, auf diese beschränkt ist. Sie umfaßt vielmehr alle Modifikationen und Änderungen, die für den Fachmann im Rahmen der Erfindung liegen.

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Claims

Patentansprüche

.J FeldemissionS-Raster-Elektronenmikroskop, gekennzeichnet durch eine Feldemissionsspitze (21) zur Erzeugung geladener Teilchen, durch eine Elektrode (24), die axial mit dieser Spitze (21) fluchtet,' durch eine zwischen der Feldemissionsspitze (21) und der Elektrode (24) angeordnete Zwischenelektrode (23), die zusammen mit der Elektrode (24)eine Feldlinse zum Fokusieren der von der Feldemissionsspitze (21) erzeugten geladenen Teilchen bildet, durch Potentialquellen (Vo, Vl) zur Spannungsversorgung für die Feldemissionsspitze (21), die Elektrode (24) und die Zwischenelektrode (23), durch die das Extrahieren, das Beschleunigen und der Aufbau des Fokusierungsfeldes bewirkt werden, wobei das Potential der Elektrode (24) in Bezug auf die geladenen Teilchen niedriger als dasjenige der Zwischenelektrode (23) und derart gewählt ist, daß an einer außerhalb der Linse und an deren von der Feldemissionsspitze abgewendeten Seite befindlichen Stelle ein realer Brennpunkt der geladenen Teilchen auftritt, wodurch ein intensiver Strahl von Teilchen niedriger Energie entsteht.

2. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geladenen Teilchen Elektronen sind, die durch das Extraktionsfeld aus der Feldemissionsspitze (21) herausgerissen werden.

3. Elektronenmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (24) und die Zwischenelektrode (23) öffnungen (84, Ιοδ) aufweisen, die mit der Feldemissionsspitze (21) axial fluchten, und durch die ein intensiver Strahl von Teilchen niedriger Energie hindurchtritt.

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4. Elektronenmikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Zwischenelektrode (23) rain· destens ungefähr 5oo Volt beträgt, daß die durch die Zwischenelektrode (23) und die Elektrode (24) gebildete Linse eine axiale Länge von etwa 2 cm aufweist und daß die Feldemissionsspitze (21) von der Zwischenelektrode (23) in axialer Richtung um wenigstens 1 cm entfernt ist.

5. Elektronenmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß en Mittel zum Zuführen einer Spannung, durch die die Feldemissionsspitze (21) vor einer Hochspannungsentladung geschützt wird,sowie integrierte Pumpmittel enthält, die mit der Feldemissionsspitze (21)in Wirkverbindung stehen und in deren Umgebung einen von Verunreinigungen freien Bereich schaffen.

6. Elektronenmikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Mitteln zur Spannungszuführung eine Extraktionselektrode (22), die mit der Feldemissionselektrode (21) axial fluchtet und ein Extraktionsfeld zum Herausreißen von Elektronen aus der Feldemissionsspitze erzeugt sowie ein impedanzbehaftetes Element (83) gehört, das zwischen der Extraktionselektrode (22) und der Zwischenelektrode (23) liegend eine Reihenschaltung bildet und das Potential der Extraktionselektrode (22) auf einem im wesentlichen konstanten Wert hält, wenn diese Hochspannungsentladungen ausgesetzt ist, und daß die integrierten Ionen-Pumpmittel Elektronen sind, die von der Feldemissionsspitze (21) erzeugt und als Sekundärelektronen von der Extraktionselektrode in (22) emittiert werden und die Moleküle in der Umgebung der FeIdemissionospitze ionisieren.

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7. Elektronenmikroskop nach Anspruch 6> dadurch gekennzeichnet, daß es eine Sublimationspumpe, die eine Bindung verunreinigender Moleküle in der Umgebung der Feldemissionsspitse (21) bewirkt, sowie eine Kuhlmittelkammer (loo) aufweist, mit deren Hilfe in einem Kryopumpvorgang Verunreinigungen aus dieser Umgebung entfernt werden.

8. Elektronenmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es Vorspannungselemente (3o) aufweist, die dem Objekt ein derartiges Potential verleihen, daß ein Aufprall des intensiven Strahls auf dem Objekt verhindert ist.

9. Verfahren zur Erzeugung eines Strahls von durch einen Feldemissionserzeuger gelieferten geladenen Teilchen, der eine niedrige Energie und eine hohe Intensität aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Potentiale zum Extrahieren, Beschleunigen und Fokusieren an eine Feldemissionsspitze (21), eine Elektrode (24) und eine zwischen FeIdemissionsspitze (21) und Elektrode (24) angeordnete Zwischenelektrode angelegt werden, wobei sämtliche Teile axial fluchtend angeordnet sind und wobei die Zwischenelektrode einen Strahl geladener Teilchen bildet, und daß das Potential (Vo) der Elektrode (24) in Bezug auf die geladenen Teilchen niedriger als das Potential (Vl) der Zwischenelektrode (23) gelegt wird, so daß ein Linsenfeld entsteht, das einen realen Brennpunkt des Strahls geladener Teilchen erzeugt, der außerhalb des Linsenfeldes und auf der der Feldemissionsspitze (21) abgewendeten Seite liegt.

Io.Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die geladenen Teilchen Elektronen sind, die aus der Feldemissionsspitze (21) herausgerissen werden, und daß die Spannung der Zwischenelektrode mindestens 5oo Volt beträgt.

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11. Verfahren nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (24) und die Zwischenelektrode (23) Öffnungen (84, Io6) aufweisen, die mit der Feldemissionsspitze (21) fluchten, daß die Elektrode (24) und die Zwischenelektrode (23) ein Linsenfeld hervorrufen, das eine axiale Ausdehnung von ungefähr 2 cm hat, daß die Zwischenelektrode (23) von der Feldemissionsspitze (21) in axialer Richtung etwa 1 cm entfernt ist, daß das Potential der Elektrode (24) etwa 3oo Volt beträgt, und daß der relle Brennpunkt in einer Entfernung von etwa 5 cm von der Öffnung der Elektrode (24) auftritt.

12. Feldemissionsstrahlerzeuger, gekennzeichnet durch eine Feldemissionsspitze (21), die geladene Teilchen erzeugt, durch eine axial mit dieser Feldemissionsspitze (21) fluchtende Elektrode (24), durch eine Zwischenelektrode (23), die zwischen der FeIdemissionsspitze (21) und der Elektrode (24) angeordnet ist und mit dieser Elektrode ein Linsenfeld zum Fokusieren der von der Feldemissionsspitze erzeugten geladenen Teilchen bildet, durch Spannungsquellon (26, 27, 28) zum Erzeugen von Spannungen für die Feldemissionsspitze (21), die Elektrode (24) und die Zwischenelektrode (23) zum Zwecke der Extraktion, der Beschleunigung und der Bildung eines Fokusierungsfeldes, wobei das Potantial der Elektrode (24) in Bezug auf die geladenen Teilchen niedriger ist als das Potantial der Zwischenelektrode (23) und derart gewählt ist, daß ein reeller Brennpunkt geladener Teilchen an einer Stelle außerhalb der Feldlinse aod auf der der Feldemissionsspitze (21) abgewendeten Seite entsteht und damit einen intensiven Strahl von Teilchen niedriger Energie erzeugt.

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13. Feldemissionsstrahlerzeuger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die geladenen Teilchen Elektronen sind, die aus der Feldemissionsspitze (21) durch ein Extraktionsfeld herausgerissen werden.

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