KR102299325B1

KR102299325B1 - 가스 이온화를 위한 x-선 소스

Info

Publication number: KR102299325B1
Application number: KR1020177027075A
Authority: KR
Inventors: 토마스 제발트
Original assignee: 에스티온 테크놀로지스 게엠베하
Priority date: 2015-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2021-09-06
Also published as: KR20170131453A; WO2016134701A1; JP2018506829A; JP6716588B2; US20180247785A1; EP3262671A1; CN107533941A; CN107533941B; US10529527B2; EP3262671B1

Abstract

본 발명은, 진공 챔버 내에 전계 방사 팁 어레이를 갖는, 가스를 이온화하기 위한 X-선 소스에 관한 것이다. 발명에 의해, 가스를 이온화하기 위한 디바이스가 생성될 것이며, 이 디바이스는 막대 형상의 고 전압 이온화기의 단순하고 콤팩트하며 비용 효율적인 설계 및 어레인지먼트를 저 에너지 X-선 이온화기들의 이점들과 결합시킨다. 이는 후드(3) 및 지지 플레이트(4)의 부분에 의해 인클로징되는 진공 영역(3b) 내의 전계 방사 팁 어레이(1)에 의해 배열되며, 전계 방사 팁 어레이(4)는 캐리어 플레이트(4)에 대해 전기적으로 절연되어 배열되고, 고 전압원에 연결된 캐소드로서 배선되며, X-선 방사선에 대해 투과성인 투과 윈도우(2)가 전계 방사 팁 어레이(1) 위의 후드(3) 중앙에 배열되고, 후드(3)는 애노드로서 배선된다.

Description

가스 이온화를 위한 X-선 소스

본 발명은, 진공 챔버 내에 전계 방사 팁 어레이를 갖는, 가스 이온화를 위한 X-선 소스에 관한 것이다.

가스를 이온화하기 위한 이러한 X-선 소스들은 막대 형상 캐리어에 의해 로우의 길이방향으로 배열되고 필요한 전압이 공급되는 다수의 개별 X-선 소스들로 이루어진다. X-선 소스들이 막대 형상 어레인지먼트의 주변 공기를 이온화하는 방식으로 X-선 소스들이 본원에서 공기 흐름에 장착된다. 이러한 방식으로 이온화된 공기는 중요 제조 영역들 내에서 정전하들을 중화시키기 위해 사용될 수 있다.

예를 들어, 이러한 X-선 소스들은, 이온화된 가스들에 의해 오브젝트들의 정전하들을 중화시키기 위해서, 마이크로일렉트로닉스 산업의 제조 시설들의 청정실에서 보통 수직 공기 흐름에 삽입될 수 있다. 이는, 정전하가 입자 증착을 증가시키기 때문에 필수적이다. 반면에, 제어되지 않는 방전들은 미세구조들에 손상을 줄 수 있다. 정전기 방전들은 ESD(Electro Static Discharge)로 지칭된다. 이온발생기들은 또한 캐빈 또는 다른 공간 내에서 상이하게 하전된 이온들의 미리결정된 이온 밀도를 생성하기 위한 사용되며, 이온들의 재결합은 일반적으로, 이온들이 생성된 직후에 시작된다.

일반적으로 사용되는 이온화 시스템들은 가스 방전을 통해 팁 전극들에서 고 전압에 의해 이온들을 생성한다. 프로세스 중에, 직류 전압 및 교류 전압 둘 모두 또는 소위 펄스 직류 전압이 사용된다. 따라서, 양이온 및 음이온의 재결합을 최소화하기 위해 상이한 방법들이 사용된다. 이러한 이온화기들의 본질적인 양상은 양이온 및 음이온의 균형잡힌 비율의 달성이다.

따라서, DE 600 34 040 T2는, 티타늄, 백금, 티타늄-백금 화합물로 제조되거나 또는 녹이 슬지 않는 금속, 또는 상이한 합금들로 제조된, 서로 나란히 있는 몇 개의 수직 방사 바늘들이 사용되는 이온 발생기 디바이스를 개시한다. 방사 바늘들은, 유리 섬유들을 함유하는 불포화 폴리에스테르 화합물로 제조된 복합 재료로 인클로징되는 원통형 코어로 이루어진다. 각각의 바늘 팁은, 격자에 의해 커버될 수 있는 원뿔형 오목부 내의 하우징 외부에서 끝난다. 바늘 팁에서, 방사 팁들에 의한 전자들의 생성을 보장하기 위해 바늘을 따라 강한 전압장 또는 전위차가 생성된다. 이를 위해, 바늘들은 4.3-6kV의 고 전압을 갖는 고 전압원에 직접 연결된다. 바늘 팁들은 추가로 금 필름으로 코팅될 수 있다.

또한, DE 691 11 651 T2는, 고 전압원에 연결된 적어도 하나의 코로나 팁이 제공되는 청정실 코로나 공기 이온화기를 개시한다. 코로나 팁은 일 단부가 막힌 튜브 안에 위치되고 무수 수소가 풍부한 가스가 팁 주위로 흐른다. 이 코로나 공기 이온화기는, 코로나 이온화기들에서 형성될 수 있는 질산 암모늄 축적들과 같은 미세오염물질들의 제거를 가능하게 한다.

DE 698 18 364 T2에서, 집적 회로들의 생산 중에 금속 오염물질들을 가장 낮은 가능한 레벨까지 감소시키기 위해, 게르마늄 방사 전극들이 사용된다. 이미터 전극은 원뿔형 반경으로 끝나는 팁을 갖는다. 게르마늄 이미터들은 반도체이며 거의 0.1-100 Ωcm의 특정 비저항을 갖는다. 이를 달성하기 위해, 게르마늄 이미터들은 안티몬으로 도핑되는 것이 바람직하다.

US 5 729 583은 캐소드 표면 상에서 진공 챔버 내에 배열된 방사 팁 어레이를 갖는 진단 방사선 촬영을 위한 소형 저 에너지 X-선 소스에 관한 것이며, 평평한 게이트 어레인지먼트가 방사 팁 어레이 위에 제공된다. 금속 필름 형태의 연관된 애노드는, 방사 팁 어레이 앞의 콜리메이터의 전방에서 그리고 내벽을 따라 진공 챔버 내에서 연장된다. 방사 팁들이 평평한 게이트 어레인지먼트의 원통형 개구들 내에 위치되고, 절연 층이 캐소드 표면과 게이트 어레인지먼트 사이에서 연장된다.

방사 팁 어레이에 대한 유사한 구조가 US 3 665 241에 개시되어있다.

DE 10 2009 031 985 A1은 원의 원주 상에 배열되고 공기 흐름에 돌출되는 상이한 전극 길이들을 갖는 다수의 전극 쌍들을 갖는 이온화기를 개시하며, 여기서 양이온 및 음이온 흐름들은 중첩되지 않는다. 이러한 방식으로, 새로운 재결합에 의해 중화된 이온들의 수가 감소되므로, 보호될 피가공물들에 대한 방전 효율이 개선된다.

그러나, 대부분의 경우들에서, 사용되는 시스템들은 막대들의 형상이며, 하부 측에, 고 전압 리드에 통합된 이미터 팁들이 바깥쪽으로 돌출된다.

US 6 807 044 B1은 이러한 시스템의 전형적인 예를 개시한다. 여기서, 막대 형상의 지지 바는 서로 나란히 있는 복수의 뾰족한 이미터 전극들을 지지하고, 각각의 전극은, 일 단부가 개방되어 있는 튜브형 외장 내부에 수용된다. 지지 막대는, 필요한 전력 공급장치가 수용되어 있는 하우징에 의해 인클로징된다.

유사한 막대 형상 이온화 디바이스들은 또한 WO 2009/031764 A2 및 JP 2010 218696 A에 설명되어있다.

이러한 이온화 디바이스들은 일반적으로, 초청정(ultra-clean) 공기 설비에 의해 생성되고, 보호될 피가공물, 이를 테면, 반도체 웨이퍼들 또는 다른 민감한 제조 디바이스들 상으로 유도되는 공기 흐름에 배열된다.

고 전압에서 동작하는 이러한 가스 방전 이온화 시스템들은 다수의 단점들을 갖는다. 따라서, 생성된 음이온과 양이온 사이의 균형은 고 전압 전력 공급장치 및 이미터 전극들의 기하학적 어레인지먼트에 매우 강하게 의존한다. 즉, 양이온과 음이온이 시간 순서로 계속해서 생성되는, 펄스형 또는 교류형 고 전압 시스템들이 존재한다.

직류 전압 시스템들은 양의 고 전압과 음의 고 전압을 위해 공간적으로 오프셋된 이미터 전극들을 구비한다. 이에 따라, 각각의 극성 이온들이 상이한 사이트(site)들에서 생성되는데, 이는 결국 극성 분포의 불균형으로 이어지고, 결과적으로 영역 내 하전 프로세스들에 영향을 미친다. 이들 프로세스들은 각각의 경우에 사이트-의존성 하전 프로세스들이다.

또한, 이미터 전극들이 시간 경과에 따라 변하기 때문에 장기간의 극성 균형이 불안정하다. 따라서 고 전압 이온화기는 지속적으로 체크되고 재조정되어야 한다.

상이한 이온 농도들로 인한 영향 이외에도, 빈번하게 15kV를 초과하는 이온-발생 고 전압의, 이미터들에 대한 바람직하지 않은 영향들이 또한 있다.

특히, 중화될 제품들이 이온화기에 근접하게 되는 설비 상황에서, 전기장 영향으로 인해 때때로 상당한 전위차들이 생성된다.

또한, 이미터 전극들 자체들에서, 초청정 공기 조건들 하에서, 전기화학 전환 프로세스들로 인해 미립자 오염물질들이 형성되는데, 이는 미세구조 산업의 초청정 제조들에 있어서 품질에 손상을 준다. 따라서 고 전압 이온화기들의 이미터들은 정기적으로 세정되어야 하는데, 이는 생산 시퀀스의 중단과 연관된다.

구조들이 점점 더 작아짐에 따라, 정전하들에 대한 기판들의 감도들이 계속 증가된다. 오늘날의 구조 크기들에 따라, 사용되는 고 전압 이온화기들의 한계들은 명백하며 다른 옵션들이 시도된다.

따라서, 저 에너지 X-선 방사선에 의해 공기 이온들을 생성하는 이온화 시스템들은 상업적으로 입수가능하다. 여기서, 5 keV 미만의 에너지 범위가 점점 더 많이 사용된다. X-선 튜브들이 사용되는 이러한 시스템들은, 이들이 외부를 향하는 전계 효과를 갖지 않으며 이온 극성 균형이 항상 완벽하게 평형을 이룬다는 이점을 갖는다. 이는, 전자 및 양이온 코어의 연관된 잔여물을 쪼갬으로써 공기 체적의 이온들이 이온화 방사선에 의해 생성된다는 사실 때문이다. 이후에도, 오염물질들이 형성되지 않는다.

이 시스템의 단점은 한편으로는 상대적으로 높은 가격이며, 다른 한편으로는 사용되는 X-선 튜브들의 사용 수명이 짧다는 것이다. 현재 사용되는 시스템들에서, 일반적으로, 약 1 년의 사용 수명을 갖는, 백열 캐소드들을 구비하는 X-선 튜브들이 사용된다. 이는, 매년 X-선 튜브들이 교체되어야 한다는 것을 의미하는데, 이는 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 든다.

이들 시스템들의 추가적인 단점은, 이들이 상당히 크기 때문에 설비들에 통합하기가 종종 곤란하다는 것과, 이외에도, 이들이 비교적 값비싼 제어 전자장치와, 백열 캐소드들을 위해 필요로되는 모니터링을 포함한다는 점으로 이루어진다.

이러한 인-라인 가스 이온화기의 예가 WO 01/84683 A2에 개시되어 있다. 이 이온화기는 제조 디바이스를 위한 공기 채널 및 그 공기 채널에 통합된 X-선 방사선 소스를 갖춘 가압 공기 소스들을 포함한다.

현재의 경우, 본 발명의 근본적인 목적은, 한편으로는, 막대 형상 고 전압 이온화기들의 단순하고 콤팩트하며 비용 효율적인 설계 및 어레인지먼트를 저 에너지 X-선 이온화기들의 이점들과 결합하고, 다른 한편으로는, 알려진 X-선 시스템들의 단점들을 방지하는, 가스들을 이온화하기 위한 디바이스를 생성하는 것이다.

목적은, 전계 방사 팁들을 구비한 전계 방사 팁 어레이가 후드, 및 캐리어 플레이트의 일 부분에 의해 인클로징되는 진공 영역 내에 배열되는 것으로 달성되며, 전계 방사 팁들이 제공되어 있는 전계 방사 팁 어레이는 캐리어 플레이트와 관련하여 전기적으로 절연되고 고 전압원에 연결된 캐소드로서 배선되도록 배열되며, X-선 방사선에 투과성인 투과 윈도우(transmission window)가 전계 방사 팁 어레이 위의 후드 중앙에 배열되고, 후드는 애노드로서 배선된다.

전계 방사 팁 어레이는, 복수의 전계 방사 팁들이 돌출되어 있는 평평한 직육면체 베이스 바디로 이루어진다.

전계 방사 팁들은 바람직하게는 뾰족한 원뿔 또는 그 밖에 로드의 형상으로 설계될 수 있다; 이들은 직육면체 베이스 바디로부터 수직으로 돌출되고 베이스 바디의 표면 위에 규칙적인 어레이로 분포되어 배열된다.

특히, 높은 전계 강도들을 방지하기 위해서, 방사 팁들은 본 발명의 개발 시 둥근 포인트들로 끝난다.

전계 방사 팁 어레이는 금속 또는 반도체 재료로 이루어진다.

본 발명의 특정 설계에서, 전계 방사 팁들의 포인트들을 둘러싸는 영역이 크레이터의 형상으로 리세스되고, 전계 방사 팁들이 화산 원뿔형 칼라(collar)로 이어지는 (이 칼라는 전계 방사 팁의 포인트를 향하는 방향으로 테이퍼링되며, 게이트를 형성하는 전계 방사 팁들을 동심으로 둘러싸며 크레이터를 원주방향으로 한정함) 그러한 방식으로 전계 방사 팁들이 절연체에 의해 인클로징된다.

전계 방사 팁들의 포인트들은 칼라 밖으로 돌출될 수 있다.

또한, 인접한 칼라들 사이에는, 싱크(sink)들이 형성되고, 칼라 내에 위치되는 크레이터를 제외하고, 전계 방사 팁 어레이의 전체 표면이 금속층으로 코팅된다.

본 발명을 계속하기 위해서, 후드는 캐리어 플레이트에 진공 기밀 방식으로 연결되며 금속으로 이루어지고, 캐리어 플레이트는 접지 전위에 연결된다.

또한, 투과 윈도우는 진공 측 상이, 적절한 마찰 재료, 이를 테면, 텅스텐으로 코팅되는 베릴륨 표면으로서 설계된다. 투과 표면으로서 베릴륨 대신에, 다른 적절한 재료들, 이를테면, 다이아몬드가 또한 사용될 수 있다.

전계 방사 팁 어레이는 진공 영역 내에서 전극 상에 배열되고, 상기 전극에 전기적으로 연결되며, 전극은 절연 바디를 통해 연장된다.

애노드 전류의 제어를 가능하게 하기 위해서, 게이트 전극은 배선 브리지를 통해 전계 방사 팁 어레이의 금속층에 전기 전도 방식으로 연결되고, 전극과 나란히 있는 게이트 전극이 절연 바디를 관통한다.

전계 방사 팁들의 포인트의 반경은 바람직하게는 2 nm이므로, 애노드를 향하는 방향으로 높은 전계-라인 밀도가 달성된다.

또한, 게이트 전극에 인가된 전압은 20-100 V이고, X-선 소스의 동작 전압은 <5 kV이고, 캐소드로 배선된 전계 방사 팁 어레이는 -4980 내지 -4900 V이다.

소형화된 X-선 소스는 막대 형상의 다중-부분 지지 시스템과 함께 사용하기에 특히 적합하며, 막대 형상의 다중-부분 지지 시스템은 중공 막대 형상 지지 프로파일로 이루어지며, 길이방향 측 상에서, 금속으로 이루어진 지지 프로파일이 절연 방식으로 막대 형상의 중공 지지 프로파일 내에 삽입되며, 전극들이 지지 프로파일로 연장되고 지지 프로파일을 따라 연장되는 고 전압 리드들에 연결되고 그리고 X-선 소스들이 지지 시스템의 환경으로 돌출되는 방식으로, 복수의 X-선 소스들이 서로 나란히 이격되어 있는 지지 프로파일의 길이방향으로 연장되어 막대 형상의 중공 지지 프로파일에 고정되며, 지지 프로파일의 내부 공간은 고 전압 절연체로 채워진다.

따라서, 본 발명에서, 마이크로팁 어레이를 캐소드로서 사용하고 그 자체가 다른 응용분야들에 공지된 소형화된, 저 에너지 X-선 소스가 사용된다. 팁들에서의 높은 전계 강도들에서 양자 기계적 터널 효과에 기초하여 전자들을 생성하는, 이러한 팁 어레이를 캐소드로 사용한 결과로서, 수 년간의 사용 수명들이 보장될 수 있다. 또한, 소형 컴포넌트들의 대량 생산을 위해 설계되는 마이크로일렉트로닉스 제조 방법들의 사용이 가능하게 되어, 허용가능한 비용들이 발생한다.

X-선 소스의 소형화에 의해, 이후, 검증된 막대 형상의 구성이 가능하므로, 단순한 전력 공급장치 및 모니터링 전자장치가, 로우(row)에 배열될 수 있는 임의의 수의 X-선 소스에 통합될 수 있다.

이하, 본 발명은 실시예의 예들에서 보다 상세히 설명될 것이다. 연관 도면들에서, 도면들은
도 1 : 진공 영역 내의 전계 방사 팁 어레이를 갖는 소형화된 X-선 소스,
도 1a: "게이트" 어레인지먼트가 제공되는 도 1에 따른 X-선 소스,
도 2: 막대 형상 지지 시스템의 컴포넌트로서 도 1a에 따른 X-선 소스의 설계, 및
도 3: 도 1에 따른 전계 방사 팁 어레이의 단면도
를 도시한다.

도 1에서, 절연 바디(5) 위의 전극(6) 상에 또는 상기 절연 바디 상에 장착된 전계 방사 팁 어레이(1)가 제공되는, 소형화된 저 에너지 X-선 소스가 제시된다. 전계 방사 팁 어레이(1)와 전극(6)(캐소드) 사이의 전기적 및 기계적 연결은 칩 본딩에 의해 또는 전기 전도성 접착제의 도움으로 수행된다. 절연 바디(5)는 진공 기밀 방식으로 금속 캐리어 플레이트(4)에 동일 평면으로 도입되거나 또는 상기 캐리어 플레이트 상에 배열되며, 전극(6)은 절연 바디(5)를 관통한다. 전극(6)에는 적절한 고 전압원의 필수 캐소드 전압이 공급된다.

전계 방사 팁 어레이(1)는 금속 또는 반도체 재료로 제조된 직육면체 베이스 바디(18)로 이루어져 있으며, 직육면체 베이스 바디(18)로부터, 서로로부터 일정 간격들을 가지고 어레이 내에 배열된 복수의 방사 팁들이 수직으로 돌출되어 있다. 방사 팁들은 뾰족한 원쁠 또는 로드의 형상으로 설계될 수 있으며 둥근 단부들을 가질 수 있다. 이러한 전계 방사 팁 어레이(1)는 반도체 기술로부터 알려진 바와 같이 마이크로구조화 기술의 제조 방법들에 의해 제조될 수 있다.

전계 방사 팁 어레이(1)를 둘러싸는 진공 영역(3b)의 형성을 위해, 상기 진공 영역은, 금속으로 제조되고 그리고 캐리어 플레이트(4)에 전기 전도성 및 진공 기밀 방식으로 연결되는 후드(3)에 의해 인클로징된다. 후드(3)는 애노드로서 사용되고 접지에 연결된다. 본 발명에 따른 X-선 소스의 설계는 기본적으로 파워 트랜지스터들을 위한 하우징, 이를 테면, TO-5 또는 TO-39 하우징의 설계에 대응한다.

현재까지 사용된 백열 캐소드들과 비교하여 전계 방사 팁 어레이(1)의 상당히 우수한 사용 수명 및 장기지속성을 보장하기 위해서, 잔여 가스 원자들로 인한 임의의 스퍼터링 프로세스들이 방지되어야 한다. 이는, 진공이 양호할수록 사용 수명이 더 길어진다는 것을 의미한다. 따라서, 실제로, <10^-6 hPa의 진공이 제공되어야 한다.

X-선 소스들을 위한 종래의 투과 윈도우(2), 이를 테면, 베릴륨 표면으로 폐쇄되는 보어(3a)는, 예를 들어, 전계 방사 팁 어레이(1) 위의 후드(3) 중앙에 위치되며 진공 측 상이 마찰 재료로서 텅스텐으로 코팅되며, 다른 적절한 재료들이 또한 마찰 재료로서 사용될 수 있다. X-선 방사선에 투과성인 다른 적절한 윈도우 변형예들을 이용하여 보어(3a)를 폐쇄하는 것도 가능하다. 후드(3) 및 캐리어 플레이트(4)는 동일한 전위에 있고, 고 전압원의 애노드 전위에, 즉 접지 또는 접지 전위에 연결된다.

투과 윈도우(2)는 또한, 예를 들어, X-선 방사선에 대해 만족스럽게 투과성인 다른 재료들, 이를 테면, 다이아몬드로 이루어질 수 있다. 또한, 캐리어 플레이트(4)에 고정 보어들(4a)이 제공되는데, 이는, 양호한 방열을 위해, 막대 형상 캐리어(미도시)에 나사결합되거나 또는 다른 식으로 고정될 수 있다.

충분한 고 전압 연면 거리(creepage distance)를 확보하기 위해서, 전극(6)은 대기 측인 절연 바디(5) 아래에서 절연체(7)로 피복된다.

전계 방사 팁 어레이(1)에는 또한 도 1a 및 도 3에 개략적으로 나타내어진 바와 같이, 애노드 전류를 제어하기 위한 "게이트" 어레인지먼트가 제공될 수 있다.

이러한 "게이트" 어레인지먼트는, 배선 본딩 및 배선 브리지(9)의 제조에 의해 전기 전도성 방식으로 전계 방사 팁 어레이(1)에 연결되는 별개의 게이트 전극(8)에 의해 구현될 수 있다. 게이트 전극(8)은 전극(6)과 나란히 배열되고, 절연 바디(5)를 관통하여 진공 영역(3b)으로 돌출된다. 절연 바디(5) 아래에서, 즉 대기 측에서, 게이트 전극(8)은 또한 절연체(7)로 피복되어 있다. 다른 방식으로, 이 변형예는 도 1에 따른 설계에 대응한다.

전위 분포와 관련되는 이유로 인해, 애노드, 즉, 투과 윈도우(2)의 베릴륨 표면에 대한 전계 방사 팁 어레이(1)의 팁들 사이의 간격은, 아래에 설명되는 칼라에 의해 형성되는 게이트 전극(8)과 전계 방사 팁들 어레이(1)의 팁들 사이의 간격보다 훨씬 더 커야 한다. 팁-게이트 간격은 100 내지 500 nm이다. 이는, 애노드 간격이 적어도 100-500 ㎛인 것을 의미하며, 기계적 취급과 관련되는 이유들로 인해 바람직하게는 1-3 mm의 간격이 선택된다.

도 3에서, 도 1에 대응하며, 전계 방사 팁들(19)이 규칙적인 어레이로 배열되어 있는, 베이스 바디(18) 상에 구성되는 전계 방사 팁 어레이(1)의 상세의 단면이 제시되어 있다. 전계 방사 팁들(19)은, SiO₂와 같은 절연체(20)로 모든 측들 상에서 실질적으로 피복되며, 전계 방사 팁들(1)의 포인트들을 직접 둘러싸는 영역 만이 크레이터의 방식으로 자유롭게 유지된다.

전계 방사 팁들(19)은 절연체(20)를 통과하여 연장되고, 전계 방사 팁들의 각각의 포인트와 함께 칼라(21)로 이어지는데, 이 칼라(21)는 전도성 재료로 제조되며, 전계 방사 팁(19)의 방향으로 화산 원뿔의 방식으로 테이퍼링되고 그리고 게이트를 형성하는 전계 방사 팁들(19)의, 크레이터(23)로부터 돌출되어 있는 포인트를 동심으로 둘러싸고 있다. 동시에 크레이터(23)의 원주가 칼라(21)에 의해 한정된다. 전계 방사 팁들(19)이 칼라(21)로부터 돌출될 수 있는데, 즉 이들이 상기 칼라 위로 프로젝팅될 수 있다. 전계 방사 팁들(19)을 둘러싸는 칼라(21)의 마진이 게이트(8)에 연결된다.

각각의 경우에서 칼라(21) 사이의 영역은 각각의 인접한 칼라로 연장되는 싱크를 형성하며, 칼라(21) 내에 위치되는 크레이터(23)를 제외하고, 전계 방사 팁 어레이(1)의 전체 표면이 금속층(24)으로 코팅된다.

도 2는 도 1a에 따른 X-선 소스의 설계를 막대 형상 지지 시스템의 컴포넌트로서 도시하며, 다수의 X-선 소스들이 지지 시스템의 길이방향으로 연장되어 서로 나란히 배열된다. 본 발명에 따른 소형화된 X-선 소스들에 대한 막대 형상 지지 시스템은, 예를 들어, 압출에 의해 제조될 수 있는 금속 또는 플라스틱으로 제조된 세장형 지지 프로파일(10)로 이루어진다. 애노드 전류를 제어하기 위한 게이트 전극(8)이 제공되는 경우, 캐소드 전압을 위한 그리고 또한 게이트 전압을 위한 필수 전력 공급장치가 지지 프로파일(10) 내에 적절한 사이트에 위치된다.

본 발명에 따른 소형화된, 저 에너지 X-선 소스는 높은 전계 강도들에서 양자 역학적 터널 효과에 기초하여 전자들을 생성하며, 수년의 사용 수명이 보장될 수 있다. 소형화된 X-선 소스의 제조는 마이크로일렉트로닉스 제조 방법들을 사용하여 문제없이 비용 효율적으로 수행될 수 있다.

도 1 또는 도 1a에 따른 소형화된 X-선 소스는, 도 2에 제시된 바와 같이 프로파일(10)을 갖는 막대 형상의 다중-부분 지지 시스템 상에 고정된다. 지지 프로파일(10)에는 일 측-도 2의 상부-에 고정 홈(10a)이 제공되므로, 지지 프로파일(10)이 적절한 고정 홀더에 고정될 수 있다. 고정 홈을 대향하는 측 상에는, 본 발명에 따른 소형화된 X-선 소스를 고정하기 위한 압출 금속 고정 프로파일(11)이 제공되며, 압출 금속 고정 프로파일(11)이, 지지 프로파일(10)의 오목부에 삽입되는 플라스틱 프로파일(12)에 배열되고, 따라서 지지 프로파일(10)과 고정 프로파일(11) 사이에 전기 절연을 생성한다. 고정 프로파일(11)과 지지 프로파일(10) 사이의 전기적 절연은, 지지 프로파일(10)이 금속으로 이루어진 경우에만 필수적이다.

본 발명에 따른 소형화된 X-선 소스들은 고정 프로파일(11) 상의 미리결정된 간격들로 고정되고, 고정 프로파일(11)은, 기계적 고정 이외에도, X-선 소스들의 애노드, 즉 후드(3)의 그리고 캐리어 플레이트(4)의 전기 컨택트를 위해 또한 사용되며, 애노드는 통상적으로 접지 전위에 있다. 여기서, 전극들(6, 8)이 지지 프로파일(10)로 연장되고 지지 프로파일(11)을 따라 연장되는 고 전압 리드들(13, 15)에 연결된다. 여기서 X-선 소스들이 지지 시스템으로부터 환경에 돌출된다.

플라스틱 프로파일(12)에 의해, 측정 전자장치가 접지 전위에 연결된다는 점에서 고정 프로파일에 연결된 상기 측정 전자장치를 통해 애노드 전류를 측정하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 소형화된 X-선 소스의 동작의 모니터링이 구현될 수 있다.

지지 프로파일(10)에서, 캐소드를 위한 길이방향으로 연장되는 고 전압 리드(13) 및 선택적으로, 게이트 전극(8)을 위한 고 전압 리드(15)가 발견된다. 또한, 지지 프로파일(10)의 내부 공간은 고 전압 절연체(17)로 주조함으로써 연결된다. 또한, 전극(6) 및 게이트 전극(8)이, 고 전압 리드들(13, 15)에 전기적으로 연결되는 대응하는 부시들(14, 16)에 삽입된다.

X-선 소스를 위한 동작 전압은 실용적인 고려사항들로 인해 <5 kV의 범위 내에 있어야 하는데, 이 범위에서 발생되는 이온화 광선들은 일반적으로 X-선 방사선 소스들인 것으로 간주되지 않기 때문에, 이 에너지 범위의 관리 비용이 분명히 적기 때문이다. 그러나, 필요하다면, 본 발명에 따른 X-선 소스는 또한 더 높은 동작 전압에서 문제없이 동작될 수 있다.

본 발명에 따른 X-선 소스의 동작 동안, 전자들은 팁들에서의 높은 전계 강도로 인해 전계 방사 팁 어레이(1)의 팁들로부터의 전계 방사에 의해 추출되며, 팁들에서의 전계 강도는 팁과 게이트 사이의 전위차 및 그 기하학적 배열에 의해 결정된다.

예를 들어, 10^9 V/m의 전계 강도는, 2 nm의 팁 반경, 팁 평면 상의 직경이 100 nm인 환형 게이트, 및 팁들에 대한 60 V의 게이트 전위로 달성된다.

이후, 여기된 전자들은 상기 고 전압에 대한 캐소드와 애노드 사이의 가속화 고 전압에 기인하여 게이트 뒤에서 가속화된다. 최대 방사선 에너지가 이 전압에 의해 결정되기 때문에, 가속 고 전압은 X-선 소스의 동작 동안 일정하게 유지된다.

게이트 전압은 20-100 V의 범위 내에서 조정가능해야 하며, 측정될 애노드 전류가 제어 파라미터로서 사용된다. 캐소드 및 게이트는 <-5000 V(캐소드 팁들)에 또는 -4980 내지 -4900 V(게이트 링)에 있으며, 애노드는 접지 전위에 있다. 캐소드 게이트 전압은, 컨트롤러에 의해 조절되는 광학 커플러들을 통해 전기적으로 분리된다.

1 전계 방사 팁 어레이
2 투과 윈도우
3 후드
3a 보어
3b 진공 영역
4 캐리어 플레이트
4a 고정 보어들
5 절연 바디
6 전극
7 절연체
8 게이트 전극
9 배선 브리지
10 지지 프로파일
10a 고정 홈
11 고정 프로파일
12 플라스틱 섹션
13 고 전압 리드
14 부시
15 고 전압 리드
16 부시
17 고 전압 절연체
18 베이스 바디
19 전계 방사 팁
20 절연체
21 전도성 게이트
22 게이트
23 크레이터
24 금속 층

Claims

진공 챔버 내에 전계 방사 팁 어레이를 갖는, 가스들을 이온화하기 위한 소형화된 저-에너지 X-선 소스로서,
복수의 전계 방사 팁들(19)을 갖는 전계 방사 팁 어레이(1)가 진공 영역(3b) 내에 배열되고, 상기 진공 영역(3b)은, 금속 후드(3) 및 금속 캐리어 플레이트(4)의 일부분에 의해 둘러싸이고,
상기 금속 캐리어 플레이트(4)는 상기 금속 후드(3)와 동일한 전위에 있고, 고-전압원의 애노드 전위와 접속되고,
절연 바디(5)가 진공 기밀 방식으로 상기 금속 캐리어 플레이트(4)와 동일 평면으로 상기 금속 캐리어 플레이트(4) 내에 도입되고,
상기 전계 방사 팁 어레이(1)는 상기 금속 캐리어 플레이트(4)에 대해 전기적으로 절연되어, 상기 금속 캐리어 플레이트(4) 내의 절연 바디(5) 위에서 전극(6) 상에 배열되고, 상기 전극(6)은 상기 절연 바디(5)를 관통하고, 상기 전계 방사 팁 어레이(1)는 상기 전극(6)과 전기적으로 연결되어 고-전압원에 연결된 캐소드로 배선되고,
X-선 방사선에 대해 투과성인 투과 윈도우(2)가 상기 전계 방사 팁 어레이(1) 위의 상기 후드(3) 중앙에 배열되고, 상기 후드(3)는 애노드로 배선되는,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.
제1항에 있어서,
상기 전계 방사 팁 어레이(1)는, 복수의 전계 방사 팁들이 돌출되어 있는 평평한 직육면체 베이스 바디로 구성되는,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.
제2항에 있어서,
상기 전계 방사 팁들은 뾰족한 원뿔 또는 막대의 형상으로 설계되고 상기 직육면체 베이스 바디로부터 수직으로 돌출되고 그리고 상기 베이스 바디의 표면 상에 규칙적인 배열로 분포되어 배열되는,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.
제3항에 있어서,
상기 방사 팁들은 둥근 단부들을 갖는,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전계 방사 팁 어레이(1)는 금속으로 또는 반도체 재료로 구성되는,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.
제1항에 있어서,
상기 전계 방사 팁들(19)의 포인트들을 둘러싸는 영역이 크레이터(23)의 형상으로 오목하게 되고, 상기 전계 방사 팁들(19)이 화산 원뿔형 금속 칼라(21)로 이어지고, 상기 금속 칼라(21)가 상기 전계 방사 팁(19)의 상기 포인트를 향하는 방향으로 테이퍼링되고 격자를 형성하는 상기 전계 방사 팁들(19)을 동심으로 둘러싸며 상기 크레이터(23)를 둘레방향으로 한정하는 방식으로, 상기 전계 방사 팁 어레이(1)의 상기 전계 방사 팁들(19)은 절연체(20)에 의해 둘러싸이는,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.
제6항에 있어서,
상기 전계 방사 팁들(19)은 상기 칼라(21)로부터 돌출되는,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.
제7항에 있어서,
인접 칼라들(21) 사이의 각각의 영역에, 각자의 인접 칼라들까지 연장되는 싱크들(24)이 형성되고, 상기 전계 방사 팁 어레이(1)의 전체 표면은, 상기 칼라(21)에 위치되는 상기 크레이터(23)를 제외하고, 금속층(24)으로 코팅되는,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.
제1항에 있어서,
상기 후드(3)는 상기 캐리어 플레이트(4)에 진공 기밀 방식으로 연결되고 금속으로 구성되고, 상기 캐리어 플레이트(4)는 접지 전위에 연결되는,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.
제1항에 있어서,
상기 투과 윈도우(2)는 베릴륨 또는 다이아몬드와 같은 다른 적절한 재료로 구성되고 그리고 진공 측이 텅스텐 또는 다른 마찰 재료로 코팅되는,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.
제1항에 있어서,
상기 전계 방사 팁 어레이(1)는 전극(6) 상의 상기 진공 영역(3b) 내에 배열되고, 절연 바디(5)를 통과하여 연장되는 상기 전극(6)에 전기적으로 연결되는,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.
제6항에 있어서,
게이트 전극(8)이 배선 브리지(9)를 통해 상기 전계 방사 팁 어레이(1)의 금속층(24)에 전기 전도성 방식으로 연결되며,
상기 칼라(21)에 위치된 상기 크레이터(23)를 제외하고 상기 전계 방사 팁 어레이(1)의 전체 표면은 금속층(24)으로 코팅되어 있으며, 상기 전계 방사 팁들(19)을 둘러싼 상기 칼라(21)의 가장자리가 상기 게이트 전극(8)과 연결되며,
상기 전극(6)과 나란히 있는 상기 게이트 전극(8)은 절연 바디(5)를 관통하는,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.
제7항에 있어서,
상기 전계 방사 팁들(19)의 팁 반경은 약 2nm인,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.
제12항에 있어서,
상기 게이트 전극(8)에 인가된 전압은 약 20 내지 100V인,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.
제12항에 있어서,
상기 소형화된 저-에너지 X-선 소스의 동작 전압은 <5kV이고, 캐소드로서 배선된 상기 전계 방사 팁 어레이(1)에서 -4980 내지 -4900V인,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.
제1항에 있어서,
상기 소형화된 저-에너지 X-선 소스는 막대 형상의 다중-부분 지지 시스템에서 사용되고,
상기 막대 형상의 다중-부분 지지 시스템은 막대 형상의 중공 지지 프로파일(10)로 구성되고,
길이방향 측 상에서, 금속으로 구성된 고정 프로파일(11)이 절연 방식으로 상기 막대 형상의 중공 지지 프로파일(10)에 삽입되고,
상기 전계 방사 팁 어레이(1)를 갖는 복수의 소형화된 저-에너지 X-선 소스들이 상기 고정 프로파일(11)의 길이방향 연장부에서 서로 나란히 이격되어 상기 고정 프로파일(11)에 고정되며, 상기 전극(6)은 상기 지지 프로파일(10) 내로 연장되고 상기 지지 프로파일(10)을 따라 연장되는 고 전압 리드들(13, 15)에 연결되고 그리고 상기 소형화된 저-에너지 X-선 소스들이 상기 지지 시스템의 환경으로 돌출되며, 상기 지지 프로파일(10)의 내부 공간은 고 전압 절연체(17)로 채워지는,
소형화된 저-에너지 X-선 소스.