DE2304906C2

DE2304906C2 - Feldemissions-Strahlerzeugungssystem

Info

Publication number: DE2304906C2
Application number: DE19732304906
Authority: DE
Inventors: Vincent John Los Altos Calif. Coates; Leonard Melvin Saratoga Calif. Welter
Original assignee: Nanometrics Inc
Current assignee: Nanometrics Inc
Priority date: 1972-02-14
Filing date: 1973-01-29
Publication date: 1985-10-24
Also published as: AU470515B2; GB1410262A; NL175676B; FR2172251B1; CA976594A; FR2172251A1; DE2304906A1; SE380673B; NL175676C; AU5167373A; IT977180B; NL7301491A; JPS576225B2; JPS4948273A; DD103095A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Feldemissions-Strahlerzeugungssystem nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

In der deutschen Offenlegungsschrift 21 29 636 ist ein Abtastelektronenmikroskop (Raster-Elektronenmikroskop) mit einem Feldemissions-Strahlerzeugungssystem dieser Art beschrieben. Die Verwendung eines FeIdemissions-Strahlerzeugungssystems ermöglicht die Ausbildung eines hochintensiven fokussierten Strahls aus geladenen Teilchen, wodurch sich die bei der Abtastmikroskopie erforderliche Beleuchtung ergibt

Das Elektronenstrahlerzeugungssystem gemäß der oben genannten deutschen Offenlegungsschrift benötigt ein hohes Vakuum und bedingt weiterhin ein erhebliches Maß an Schutz gegen Hochspannungsüberschläge an der Feldemissiojisspitze. Nach dem Stand der Technik haben sich hier erhebliche Probleme bezüglich der Anwendung von Feldemissionsspitzen bei Abtastelektronenmikroskopen ergeben. Um den Hochspannugs-Schutz der Feldera/ssionsspitze zu erzielen, wird gemäß der genannten deutschen Offenlegungsschrift eine Schildelektrode um den Umfang der Spitze herum zusätzlich zu der der Feldemissionsspitze benachbarten Feldelektrode angewandt Die Feldelektrode ermöglicht eine Steuerung des Emissionsstroms und der Teilchenbeschieunigung.

Es ist oftmals zweckmäßig, ein Feldemissions-Elektronenstrahlerzeugungssystem als ein selbstfokussierendes Elektronenbeschleunigungssystem zu betreiben, ohne Anwenden zusätzlicher Verkleinerungslinsen, d. h. das System wird angewandt um eine fokussierte Abbildung des Elektronenstrahls in einer geeigneten Abbildungsebene auszubilden, ohne Anwendung zusätzlicher Linsen mit Ausnahme derjenigen, die durch das Anodensystem bedingt werden.

Bei Feldemissions-Strahlerzeugungssystemen ohne Feldelektrode, wo lediglich eine auf die Feldemissionsspitze folgende erste Anode und eine dieser nachfolgende zweite Anode zur Anwendung kommen, kann ein Betrieb in selbstfokussierender Weise hohe Herausführungsspannungen an der ersten Anode erforderlich machen, um so ausreichende Feldstärke zu erzielen für das Ausbilden eines geeigneten Stromwertes in dem fokussierten Fleck, und demgemäß entsprechend hohe Beschleunigungsspannungen an der zweiten Anode zum Erzielen annehmbarer Brennweiten. Weiterhin war hierbei eine extrem feine Geometrie der Feldemissionsspitze erforderiich, allgemein mit einem Durchmesser von kleiner als 100 nm. Wenn die Spitze über dieser Größe lag, war es erforderlich, dieselbe enger benachbart zu der ersten Anode anzuordnen, wodurch sich eine nicht annehmbare Verschiebung der Abbildungsebene ergibt.

Durch die Feldelektrode kann das aus der genannten deutschen Offenlegungsschrift bekannte Feldemissions-Strahlerzeugungssystem der eingangs genannten Art mit geringen Fokussier- und Beschleunigungsspannungen betrieben, und eine Feldemissionspitze mit größe-

rem Krümmungsradius verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung steUt sich die Aufgabe, ein Feldemissions-Strahlerzeugungssystem der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß es möglichst hohe Strahlströme liefert.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteranspriichen gekennzeichnet

Die von de· Erfindung vorgeschlagene besondere Ausgestaltung der Feldelektrode in zwei Teilen ermöglicht insbesondere bei der selbstkassierenden Arbeitsweise hohe Strahlströme bei relativ niederen Arbeitsspannungen. Durch die Ausgestaltung der Feldelektrode nach dem Anspruch 2 wird die Feldemissionsspitze vor Beschüß durch abgelöste Teilchen geschützt. Sie wird daher weniger verunreinigt und verändert, so daß ihre Lebensdauer ansteigt

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. ί schematisch ein Feidemissions-Abiasieickironenmikroskop mit dem Ausführungsbeispiel· des erfindungsgemäßen Feldemissions-Strahlerzevgungssystems;

Fi g. 2 einen Querschnitt des Feldemissions-Strahlerzeugungssystems.

In F i g. 1 ist ein Abtast-Elektronenmikroskop 10 dargestellt, das ein Feldemissions-Strahlerzeugungssystem aufweist Wichtig ist in diesem Zusammenhang, daß das hier gezeigte Feldemissions-Strahlerzeugungssystem zwar zum Erzeugen von Elektronen angewandt wird, die gleiche Quelle jedoch ebenfalls für das Ausbilden anderer geladener Teilchen angewandt werden kann, z. B. positiv geladener Teilchen, wie Ionen.

Bei dem Anwenden positiv geladener Ionen ist es erforderlich, daß die Spannungen und Fckussierungsfelder umgekehrt werden. Es ist weiterhin erforderlich, daß ein ionisierbares Gas in die Kammer vermittels eines geeigneten Ventils und Regelanordnung, wie allgemein bekannt, eingeführt wird. Als Hilfsmittel für das Abtast-Elektronenmikroskop ist eine Spannungsquellenanordnung 11 gezeigt, die die verschiedenen Werte der Arbeitsspannungen für die Elektroden des Abtast-Elektronenmikroskops 10 liefert Ein Videoempfänger 29, dessen Abtaststeuerung 29 in Kombination mit den Abtast- und Detektorteilen des Ablast-Elektronenmikroskops 10 steht, zeigt die angestrebte Ansicht der zu untersuchenden Probe 18.

Durch die Feldemissionsspitze 21 wird ein sehr kohärenter, sehr intensiver fc'Iektronenstrom geliefert, der auf einen Fleck angestrebter Größe in einer Abbildungsebene, die die Probe 18 aufweist, fokussiert werden kann. Die Probe 18 ist hier auf einem Probenhalter 17 angeordnet gezeigt, der dieselbe bezüglich des fokussierten Strahls 13 entsprechend anordnet. Der Elektronenstrahl wird im wesentlichen durch das Anodensystem gebildet, das aus der ersten Anode 23 und der zweiten Anode 24 besteht. Die Anode 23 ist zwischen der Feldemissionsspitze 21 vrA der Anode 24 angeordnet. Beide Anoden 23 und 24 weisen Öffnungen auf, die axial bezüglich der Feldemissionsspitze 21-ausgerichtet sind zwecks Fokussieren und Beschleunigen der Elektronen, die den Elektronenstrahl 13 bilden.

Die Hauptbeschleunigungsspannung Ko der Spannungsquelle 28 wifd der Anode 24 zugeführt und deren Größe wird relativ zu dem Potential der Feldemissionsspitze 21 ausgewählt. D'vt Feldemissionsspitze 21 ist mit der Spannungsquelle 28 verbunden und die Anode 24 geerdet Die Anode 23 wird durch die Spannungsquelle 27 mit einem Potential V_x gespeist, das niedriger als das Potential der Anode 24 bezüglich des Elektronenstrahls 13 ist Die Größe der Spannung Vo bestimmt die abschließend vorliegende Elektronenenergie, während das Verhältnis der Spannung Vi der Anode 23 und der Spannung Vo im wesentlichen die Brennweite des Strahls unter der Anode 24 bestimmt Diese Brennweite ist in der F i g. 1 durch das Bezugszeichen S wiedergegeben. Die Feldelektrode (auch Extraktionselektrode oder Herausführungselektrode genannt) 22 liegt benachbart zu der Feldemissionsspitze 21 und weist mittig angeordnete Öffnungen auf, die axial ausgerichtet sind zu den Öffnungen der Anoden 23 und 24 und der Feldemissionsspitze 21. Somit treten die aus der Feldemissionsspitze 21 ausgelösten Elektronen durch die Öffnungen der Feldelektrode 22 und der Anoden 23 und 24 und werden abschließend auf der Probe 18 fokussiert. Wie weiter oben angegeben, bestimmt die Spannung V_e an der Feldelektrode 22 praktisch '..«schließlich den Slrömweri des Strahles 13. Dasjenige Te=! der Elektrode 22, das benachbart zu der Feldemissionsspitze 21 vorliegt, befindet sich in einer Entfernung d von der Feldemissionsspitze 21, und die Öffnung desselben ergibt einen großen Eintrittswinkel, so daß ein Teil des aus der Feldemissionsspitze ausgelösten Elektronenstrahls durch dieselbe praktisch ohne Beeinflussung hindurchtritt Das bezüglich der Feldemissionsspitze 21 ferne Teil der Feldelektrode 22 ist relativ eng benachbart zu der Anode 23 angeordnet und seine Öffnung 12 ist wesentlich kleiner, so daß hierdurch die abschließend vorliegende Größe des Strahls 13 bestimmt wird. Dieser Teil der Feldelektrode 22 befindet sich in einer Entfernung d\ von der Anode 23. Die Schirm- oder Schildelektrode 20 wird angewandt, um Hochspannungsentladungen von der. äußeren Kammer des Feldemissions-Strahlsystems zu der Feldemissionsspitze 21 zu verhindern. Diese Schildelektrode 20 ist im wesentlichen eine ringförmige Metallelektrode, die um den Umfang der Feldemissionsspitze 21 und die Feldelektrode 22 angeordnet ist Aufgrund des Vorliegens der Schildelektrode 20 wird die Funktion der Feldelektrode 22 bedingt Ohne Ausbilden des Feldes durch die Fsldeleiitrode 22 im Inneren der durch die Schildelektrode 20 definierten Fläche würde es schwierig sein, die angestrebte Wirkungsweise zu erzielen.

Zusätzlich zu der Funktion als Entladungsschützer für die Feldemissionsspitze 21 wirkt die Schildelektrode 20 als kondensierendes Medium für Titan oder anderes Metall geeigneter Art, das von der Spule 19 absublimiert. Diese Wirkung der Spule 19 und der Schildelektrode 20 ergibt die Funktion einer Vakuumpumpe benaebbatt zu der Feldemissionsspitze 21, wodurch das sehr hohe Vakuum aufrechterhalten wird, das für ein einwandfreies Arbeiten von Feldemissions-Vorrichlungen erforderlich ist. Diese Funktion eines Vakuumpumpens mittels des Systems zusammen mit dem arteigenen lonenpumpen bedingt durch die Kombination der Feld' elektrode 22 und der Feldemissionsspitze 21, d.h. die Ionisation durch den Primärstrahl und die Sekundärelektronen ermöglicht das Erreichen von Vakuumwerten in der Größenordnung von IO-⁹ bis Ί0-" mbar benachbart zu der Feldemissionsspitze 21. Das Potential V_e der Feldelektrode 22 wird durch die Spannungsquelle 26 geliefert. V_e wird io ausgewählt, daß sich eine Feldstärke benachbart zu der Feldemissionsspitze 21 ergibt, die erforderlich ist. um die Elektronen zu erzeugen. Der Sublimationsspule 19 wird die Spannung V₁, ausgehend

von der Spannungsquelle 25 zugeführt. Die Feldelektrode 22 ist mit der Anode 23 über die Impedanz 34 verbunden, wodurch ein Anstieg der Herausführungsspannung auf die Hauptbeschleunigungsspannung in dem Fall einer Entladung zwischen den Anoden 23 und 24 verhindert wird. Das Ablenksystem 16 ist im wesentlichen für die Steuerung des Strahls 13 unter Abtasten der Probe 18 in programmierter Weise vorgesehen. Im wesentlichen stellt dasselbe Ablenkspulen dar, die auf das Abtastsystem für eine Steuerung des Videoempfängers 29 synchronisiert sind, wodurch das Abtasten der Probe 18 und das Abtasten des Videoempfängers 29 aufeinander abgestimmt gehalten werden. Der Detektor 14 ist typisch für eine Anzahl an Detektoren, die so angeordnet werden können, daß eine Information empfangen wird, die von der Oberfläche aus erhalten oder durch die Probe 18 hindurch übertragen wird. Die Information kann dadurch erhalten werden, daß die Probe durchdringende Elektronen, wie dies der Fall ist bei einem Elektronenmikroskop, Sekundärelektronen, reflektierte Elektronen, absorbierte Elektronen, Photonen oder Röntgenstrahlen empfangen werden, die allesamt durch oder ausgehend vom Elektronenstrahl 13 erzeugt werden.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 ist dart in einem Querschnitt das Feldemissions-Strahlerzeugungssystem wiedergegeben.

In der weiter oben angegebenen DE-OS 21 29 636 sind im einzelnen die baulichen Maßnahmen eines typischen Feldemissions- Elektronenstrahlerzeugungssystems ähnlicher Bauart angegeben. Die Anoden 23 und 24 können geformte Feldlinsen sein, die mittig angeordnete und ausgerichtete öffnungen besitzen. Die Geometrie der Anoden 23 und 24 kann allgemein auf die Formen abgestimmt sein, wie sie von J. W. Butler berechnet und in einer Veröffentlichung von A. V. Crewe, D. N. Eggenburger, J. Wall und L M. Welter mit der Bezeichnung »Electron Gun using a Fieid Emission Source« in 'Review of Scientific Instruments', Band 39, April 1968, Nr. 4, Seite 580 beschrieben sind. Die Feldemissionsspitze 21 ist hier an einem Isolationsstift 26 angeordnet gezeigt und ist mittig bezüglich der öffnungen der Anoden 23 und 24 angeordnet. Die erforderlichen elektrischen Verbindungen werden über vakuumisolierte Verbindungselemente zugeführt, die sich durch das äußere Gehäuse 10 (Fig. 1) und die Schildelektrode 20 erstrecken, die hier so gezeigt wird, daß sich dieselbe um die Feldemissionsspitze 21 und den Isolationsstift 26 erstreckt. Die Stellung der Spitze 21 ist axial einstellbar vermittels eines Mechanismus, der in der erwähnten DE-OS 25 29 636 beschrieben ist, wobei entsprechende geeignete Anordnungen, die auf diesem Gebiet aligemein bekannt sind, weiterhin Verwendung finden können.

Die Elektrode 22 weist zwei Teile auf, und zwar ein oberes Teil 35 benachbart zu der Feldemissionsspitze 21, wobei eine breitwinklige öffnung mittig bezüglich der Öffnungen der Anoden 23 und 24 angeordnet ist Ein zweites unteres Teil 32 ist körperfern bezüglich der Feldemissionsspitze eng benachbart zu der Anode 23 angeordnet und enthält eine zweite mittig angeordnete öffnung 12, die üblicherweise einen wesentlich kleineren Durchmesser von etwa 20 bis 400 Mikron besitzt und diese öffnung bestimmt die Größe des Strahls 13. Die gesamte Anordnung der Feldelektrode 22 ist an dem Isolator 31 mittels Gewindeteilen 30 befestigt. Die £5 Seitenwände oder die Umfangsteile, der Feldelektrode 22 sind im wesentlichen offen, um einen Hindurchtritt der ionisierten Teilchen und Verunreinigungen durch dieselben zu ermöglichen.

Sowohl die öffnung des Teils 35 als auch diejenige des Teils 32 sind über die umgebende Oberfläche deren entsprechender Teile angehoben. Diese erhöhte Anordnung erzeugt eine Schutzfläche um den Umfang der öffnungen und dient dazu, Verunreinigungen einzufangen und zurückzuhalten. Wenn qucrseitig gestreute Anteile des Strahlstroms auf die Öffnungsoberfläche fallen, wird eine wesentliche Verunreinigung erzeugt, die bei nicht richtiger Steuerung die Arbeitsfähigkeit sowohl der Öffnung als auch der Spitze 21 nachteilig beeinflussen kann.

Bezüglich der Arbeitscharakteristika des beschriebenen Abtast-Elektronenmikroskopes sei erneut auf die F i g. 1 Bezug genommen. Bei dem Betrieb des Feldemissions-Elektronenstrahlerzeugungssystems als selbstfokussierendes Elektronenbeschleunigungssystem, d. h. ohne Anwenden irgendwelcher zusätzlicher Linsen mit Ausnahme der durch die Anoden 23 und 24 bedingten, werden ohne Feldelektrode hohe Werte der Beschleunigungsspannungen Vo und V] erforderlich. Bei Spitzen mit einem Durchmesser von >200nm liegt die Spannung V₀ über 20 000 Volt, während das Potential Ki der Anode 23 sich auf etwa 3500 Volt beläuft.

Das Anwenden dieser hohen Potentiale führt natürlich, wie weiter oben angegeben, zu Problemen bezüglich der hohen Spannungsentladung an der Feldemissionssphze 21 sowie bezüglich der Anordnung, Leistungsfähigkeit und Konfiguration der Spitze 21. Durch das Anwenden der Schildelektrode 20 und der Feldelektrode 22 werden diese Schwierigkeiten im wesentlichen ausgeräumt. Erneut unter Bezugnahme auf die oben genannte DE-OS 21 29 636 finden sich dort Einzelheiten bezüglich der baulichen Maßnahmen und Arbeitsbedingungen der Schildelektrode 20, der Feldelektrode 22 und der Spannungsquellenanordnung 11 (Wirkungsweise von 34) bezüglich des Eniiädüngssehinzcs der FeIdemissionsspitze 21 und Leistungsfähigkeit des Feldemissions-EIektronenstrahlsystems.

Das Anwenden der Feldelektrode 22 vereinfacht wesentlich die Arbeitsweise des Strahlerzeugungssystems und ermöglicht die Auswahl eines geeigneten Strahlstroms Ib, Entfernung der Abbildungsebene und Beschleunigungsspannung Vo in relativ leichter Weise und über einen breiten Bereich. Um zu wiederholen: um ohne Feldelektrode dieses Ergebnis zu erzielen, war das Anwenden schwierig herzustellender und empfindlicher Spitzen mit Durchmessern von kleiner als 100 nm erforderlich, die eng benachbart zu der Anode 23 angeordnet wurden, sowie das Anwenden relativ hoher BescHeunigungs- und Fokussierungsspannungen zum Erzielen annehmbarer Werte des Strahlstroms Ib und der Lage der Abbildungsebene. Durch die zusätzliche Anwendung der Feldelektrode 22 wurde es möglich, den erforderlichen Strahlstrom bei praktischen Entfernungen 5(angenähert 5 bis 20 cm) zu erhalten, und eine stumpfe Spitze anzuwenden, die weiter entfernt von der Anode 23 angeordnet ist Somit wird ebenfalls die Fleckgröße des Strahls 13 und schließlich die Auflösung verbessert Es ist wichtig festzuhalten, daß die Vergrößerung der axialen Entfernung Z der Spitze 21 von der Anode 23 die erforderliche Fokussierung und somit das Verhältnis von Vi zu V₀ verringert Die Verhältnisverringerung führt natürlich zu niedrigeren Beschleunigungsspannungen und hält die mit der Entladung verbundenen Probleme hintenan. Weiterhin wird hierdurch die Erzeugung von Strahlen mit niedrigerer Energie möglich, wo dies sich als zweckmäßig erweist Beim Betrieb des beschrie-

benen Systems ist es möglich, den Wert von Ib und die Strecke S der Abbildungsebene durch geringfügige Einstellung der Spitze 21 bezüglich der Elektrode 22 entsprechend der Strecke d, der Spannungen V, und V₀ oder beider aufrechtzuerhalten. Weiterhin können Durchmesser der Spitze 21 in der Größenordnung von 150 bi«. 300 nm erfolgreich angewandt werden, wodurch deren Herstellung wesentlich vereinfacht wird. Die Entfernung d\ zwischen der Feldelektrode 22 und der Anode 23 wird allgemein konstant gehalten, kann jedoch für spezielle Zwecke eine Abänderung erfahren. Der Abstand gegenüber der Anode 23 ermöglicht die Zwischenoirdnung eines Isolationsteils 31, wodurch ein weiterer Schutz des Systems gegen Hochspannungsentladung gegeben wird.

Bei dem Betrieb ist die Feldelektrodenspannung V_c angenähert gleich der Spannung Vi der Anode 23. Es ist möglich, diese Feldelektrode 22 recht eng benachbart zu der Spitze 21 anzuordnen, wodurch lediglich eine niedrigere Emissionsspannung V_e erforderlich ist, um, ausgehend von der Feldemissionsspitze 21, die angestrebte Feldemission zu erhalten. Bei Anordnung mit einer Entfernung d von angenähert 0,5 mm bis 6 mm bezüglich der Feldemissionsspitze 21 können normale Emissionswerte und Fokussierung des Strahls 13 unter Anwenden relativ niedriger Spannungen für V_n Vi und Vo erreicht werden. Typische angenäherte Leistungswerte sind nachstehend angegeben.

/S=Ix 10-^I0 Ampere,

V_c = 2000-3000VoIt,

V, = 2000-3000VoIt,

V₀ = 5000-20 000VoIt,
5 =5-20 cm
d =0,1-5 mm
Z = 0,5-10 cm
Fleckengröße = 10—200 ηm

Bei Verringern der Herausführungsspannung V_c kann die Spannung Vo wesentlich verringert werden, wobei es lediglich erforderlich ist, daß das Verhältnis Vj zu VO geeignet bleibt, um die angestrebten Entfernungen der Brennebene einzustellen.

Es zeigte sich, daß bei Anwenden der Struktur der Feldelektrode nach der F i g. 2 es möglich ist, bei der gleichen Auflösung einen wesentlich größeren Strahlstrom 13 zu erhalten. Eine absolute Vergrößerung des Strahlsnroms 13 ermöglicht es natürlich, eine kleinere Fleckengröße des Strahls 13 bei niedrigeren Stromwerten zu erreichen, wodurch die arteigenen Fähigkeiten des Systems zur Auflösung verbessert werden. Quantitativ ausgedrückt, ist eine angenäherte Vergrößerung von 9 zu 1 des Strahlstroms für die gleiche Fleckengröße erzielt worden.

Warum eine Zunahme der Intensität des Strahls 13 erfolgt, ist zur Zeit nicht vollständig geklärt, wenn auch von der Annahme ausgegangen werden kann, daß dies in Beziehung steht mit dem Erzeugen eines kleinen feldfreien Driftbereiches zwischen dem oberen Teil 35 und dem unteren, die Fleckengröße steuernden Teil 32 der Feldelektrode 22. Dieses Gebiet weist normalerweise eine axiale Länge von etwa 2 cm auf, kann jedoch eine erhebliche Veränderung erfahren, ohne daß hierdurch in wesentlicher Weise die verbesserte Leistungsfähigkeit beeinflußt wird-

Es ist wichtig festzuhalten, daß zum Erzielen einer verbesserten Leistungsfähigkeit bezüglich lediglich einer Steuerung der Strahlintensität und der Brennebene die Feldelektrode 22 einfach ein einziges Bauteil mit einer den Strahl begrenzenden öffnung aufweisen kann, wie aus der erwähnten DE-OS 21 29 636 bekannt. Es ist weiterhin zu beachten, daß. wie in der DE-OS 21 29 636 beschrieben, das differentielle Pumpen zwischen den Kammergebieten 416 und 41a durch die öffnung der Anode 23 erfolgt, wodurch dieselben bei unterschiedlichen Vakuumwerten gehalten werden. Bei einem Erzeugen von Elektronen liegt in dem oberen Gebiet 41a

ίο natürlich ein niedrigerer Druck vor, während bei einem Erzeugen von Ionen, wo ja Gas eingeführt wird, das Entgegengesetzte zutrifft, bedingt durch den Partialdruck des Gases, und das differentielle Pumpen erfolgt in einer entgegengesetzten Richtung.

Das Anwenden der Feldelektrode 22 macht es weiterhin möglich, eine zweite Linse in das System einzuführen. Wenn die Spannung V_e unabhängig von V, gesteuert wird, kann zwischen der Feldelektrode 22 und der Anode 23 ein fokussierendes Feld erzeugt werden, wodurch die Brennweite des Systems sowie die Fleckengröße des Strahls 13 verändert werden.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß ein erfolgreicher Betrieb eines Feldemissions-Elektronenstrahlerzeugungssystems ein hohes Vakuum und Sauberkeit benachbart zu der Spitze 21 erforderlich macht, werden im folgenden Maßnahmen bezüglich dieses wichtigen Aspekts erläutert. Wie weiter oben angegeben, kann die Pumpanordnung in dem Gebiet der Spitze 21 als eine Form des Ionenpumpens und Einfangens betrachtet werden. Auch andere Arbeitsweisen für das Verhindern eines Bombardierens der Spitze 21 durch die Ionen führt zu einer verbesserten Stabilität der Spitze und Verläßlichkeit des Systems. Um dies einer Verbesserung zu unterziehen, wird ein zylinderförmiges Teil 33, siehe die F i g. 2, an der Säule 26 konzentrisch zu der Achse der Feldemissionsspitze 21 und parallel hierzu angeordnet. Wenn an der Oberfläche des oberen Teiis der FeIdelektrode 22 Ionen ausgebildet werden, werden dieselben in Richtung auf das Teil 33 angezogen. Da das Teil 33 eine praktisch offene Struktur aufweist, können viele der angezogenen Ionen durch das Sieb hindurchtreten und werden schließlich an der Schirmelektrode 20 eingefangen, die in Kombination mit der Sublimatorspule 19 arbeitet. Dies führt dazu, daß weniger Ionen auf die Spitze 21 auftreffen, wodurch sich eine geringere geometrische Verzerrung, verbesserte örtliche Druckverhältnisse und schließlich verbesserte Stabilität ergeben. Eine Verunreinigung der Spitze wird durch die Öffnung mit großem Eintrittswinkel in dem oberen Teil der Feldelektrode 22 verringert, durch die jeglicher merkliche. Anteil des Strahls 13 daran gehindert wird, auf die Feldelektrode 22 zu treffen und dort Teilchen auszulösen, die zu einer Verunreinigung in der Fläche der Feldemissionsspitze führen. Die Tatsache, daß die FeIdemissionsspitze 21 relativ eng benachbart zu der Feldelektrode 22 angeordnet ist, begrenzt weiterhin ein Auftreffen des Strahls 13 auf die Feldelektrode 22. Es können auch andere Anordnungen angewandt werden, um dieses wünschenswerte Ergebnis zu erzielen, wie ein

eo axiales Einstellen oder Zusammenfassen des von der Feldemissionsspitze 21 ausgehenden Stroms, z. B. mittels Überziehen der Spitze mit Zirkon oder anderem sehr feuerfesten Metall oder durch geeignetes Abändern der Spitzengeometrie dergestalt, daß die Hauptemission von einer kleineren ais ansonsten normalen Quelle abgeleitet wird

Nach Hindurchtritt durch die obere öffnung der Feldelektrode 22 läßt man den Strahl 13 auf die untere

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öffnung 12 auffallen, wodurch die Größe des Strahls auf einen angestrebten Durchmesser begrenzt und die Bildung von Verunreinigungen auf eine Stelle weg von der Feldemissionsspitze 21 begrenzt wird. Somit wird das obere Teil 35 der Feldelektrode 22 im wesentlichen für das Auslösen aer Elektronen aus der Feldemissionsspitze 21 angewandt, die Elektronen werden so gesteuert, daß dieselben praktisch durch die obere öffnung hindurchgehen, und können eine Oberfläche stromab entfernt von der Feldemissionsspitze 21 bombardieren. Die Feldemissionsspitze 21 ist gegenüber den Ionen geschützt, die durch Auftreffen des Strahls 13 auf die OfF-nung 12 ausgebildet werden, und zwar durch Anwenden irgendeiner Maßnahme oder Kombination derselben in Form eines magnetischen loneneinfangens, elektrostatisehen loneneinfangens oder mechanischer lonenabschirmung. Wie bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel dargelegt, finden hier ein elektrostatisches Ioneneinfangen, ein mechanisches lonenabschirmen und das Anwenden der Sublimationstechnik Verwendung. Es ist wichtig zu beachten, daß die Verbindung des Kammerteils 41a und 41 b durch die öffnung der Anode 23 ein differentielles Pumpen zwischen diesen zwei Flächen und ein Halten des Teils 41a bei einem höheren Vakuumwert ermöglicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Feldemissions-Strahlerzeugungssystem mit einem eine Vakuumkammer begrenzenden Gehäuse, in dem eine Feldemissionsspitze, ein Anodensystem und eine Feldelektrode zum Erzeugen eines die geladenen Teilchen aus der Feldemissionsspitze auslösenden elektrischen Feldes zwischen der Feldemissionsspitze und dem Anodensystem angeordnet sind, und mit mit der Feldemissionsspitze, dem Anodensystem und der Feldelektrode verbundenen Spannungsquellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldelektrode (22) aus zwei in Strahlrichtung hintereinander angeordneten Teilen (35,32) besteht, die jeweils zur Feldemissionsspitze (21) axial ausgerichtete Mittelöffnungen (12) aufweisen und einen im wesentlichen feldfreien Driftraum einschließen.

2. Feldemissions-Strahlerzeugungssystem nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelöffnungen der Teile (35,32) der Feldelektrode (22) so ausgebildet sind, daß der von der Feldemissionsspitze (21) ausgehende Strahlstrom ungehindert durch die Mittelöffnung des ersten Teils (35) der Feldelektrode hindurchtritt und daß der Durchmesser des Strahlstroms durch die Mitteioffnung (12) des zweiten Teils (32) der Feldelektrode bestimmt wird.

3. Feldemissions-Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Randgebiete der Mittelöffnungen (12) der Teile (35, 32) der Feluelektrode (22) bezüglich ihrer Umgebung erhöht ausgebucht sind.

4. Feldemissions-Strahlerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dad rch gekennzeichnet, daß der feldfreie Driftraum, zwischen dem ersten (35) und dem zweiten Teii (32) der Feideiektrode (22) eine axiale Länge von ungefähr 2 cm aufweist.

5. Feldemissions-Strahlerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Anodensystem aus einer ersten Anode (23), die näher zur Feldemissionsspitze (21) gelegen ist, und einer zweiten Anode (24) besteht und daß die Feldelektrode (22) zwischen Feldemissionsspitze und erster Anode (23) angeordnet ist.

6. Feldemissions-Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Feldemissionsspitze und der ersten Anode (23) im Bereich von 0,5 bis 10 cm liegt und der Abstand zwischen dem ersten Teil (35) der Feldelektrode (22) und der Feldemissionsspitze (21) im Bereich von 0,! bis 6 mm.

7. Feldemissions-Strahlerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionsspitze (21) mit einer koaxial angeordneten, siebförmigen Elektrode (33) zum Absaugen von Ionen aus den zur Spitze benachbarten Gebieten versehen ist.

8. Feldemissions-Strahlerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionsspitze (21) im Innern einer Schirmelektrode (20) angeordnet ist.

9. Feldemissions-Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldelektrode (22) und die erste Anode (23) durch ein elektrisches Isolationsteil (31) voneinander getrennt sind.

10. Feldemissions-Strahlerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionsspitze (21) axial verschiebbar ist

11. Feldemissions-Strahlerzeugungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionsspitze (21) mit einem Zirkonüberzug versehen ist