WO2008104393A2 - Vorrichtung zur feldemission von teilchen und verfahren zur herstellung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device for field emission of particles for particle-optical devices according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a device according to the preamble of claim 28.
  • probe current density In particle-optical instruments, such as scanning electron microscopes for surface texture analysis or micro-probes for particle beam excitation material analysis, the diameter of the particle beam on the sample surface (probe current) in combination with probe current intensity is a critical factor for the resolution of the device. This combination is called probe current density.
  • the probe current density and thus the resolving power is generally limited by the chromatic ("color aberration") and the spherical aberration (aperture aberration) in the particle optics.Other restrictions for the probe current density plays only a minor role in the considered applications
  • the spatial extent of the particle beam can not be made too small with a particle microscope without the time for recording a particle due to signal noise in the image recording However, it can be smaller in the case of particle beams having a higher directional beam value without loss of signal-to-noise ratio than in the case of beams with a small directional radiation value value of the probe current favors.
  • the minimum diameter of the particle beam on the sample at a given signal to noise ratio is in modern equipment on the one hand limited by the directional radiation value of the particle source, on the other hand by the energy width of the particle beam.
  • the energy width of the probe current is essentially determined by the temperature and the material of the particle emitter. For very small probe diameters minimum energy widths are necessary. Cold metals generally have the lowest energy spread for particle emission and thus the best conditions for high probe current densities and high resolving power.
  • the directional beam value of the probe current is limited by the directional beam value of the particle emitter, because the directional beam value can not be increased by particle-optical components at constant particle energy. However, particle-optical components with inadequate design reduce the directional beam value. Therefore, for highest resolution, it must be ensured that all particle-optical components are optimized.
  • High resolution scanning electron microscope particle emitters have a sharp tip of metal one micrometer or less in diameter. Depending on the design of the emitter, this tip is unheated for the smallest particle beam energy widths or heated for easier particle emission from the emitter surface for higher emission current. All such emitters have a high electric field applied to the excitation of field emission for the extraction of the particle beam. This field is inhomogeneous due to the small diameter of the emitter tip. As a result, it acts like an electrostatic immersion lens (an immersion lens is a lens in which the object or image lies in the field of the lens). This electrostatic immersion lens is an integral part of each such emitter.
  • Fig. 4 shows the basic structure of a magnetic lens-containing particle beam source of a Clchenmicroscopes, in particular electron beam microscope, as it is known for example from US 5,041,732.
  • Such an electron microscope has a field emission tip 21 attached to the end of a filament 22, the filament 22 being connected to terminal electrodes 24 extending along an insulator 23.
  • a magnetic lens 25 comprises a circular coil 26, a first magnetic pole piece 27 comprising the coil 26 forming a magnetic path, and a second magnetic pole piece 28 electrically insulated from the first magnetic pole piece 27 but magnetically connected to form a magnetic pole piece Form field line path.
  • the inner diameter of the first magnetic pole piece 27 is larger than the outer diameter of a holding plate 31 for a suppression electrode 30, the emitter tip 21 and the suppression electrode 30 being inside the magnetic lens 25 are housed.
  • the magnetic field extends between a lower end surface 27A of the first magnetic pole piece 27 and an upper end surface 28A of the second magnetic pole piece 28.
  • the emitter tip 21 is approximately level with the two inner surfaces
  • the inner diameter of the second magnetic pole piece 28 is smaller than the inner diameter of the first magnetic pole piece 27, such that the maximum value of the magnetic flux density comes as close as possible to the emitter tip 21.
  • the suppressing electrode 30 is mounted on the insulator 23 so as to surround the emitter tip 21, and is supported by the holding plate 31.
  • An extraction electrode 32 having a narrow central bore is fixed to the central portion of the second magnetic pole piece 28.
  • a lens electrode 33 having a central bore is disposed below the extraction electrode 32, and a grounding electrode 34 having a central bore is disposed below the lens electrode 33.
  • the lens electrode 33 is supported on an outer wall 36 of a pillar via an insulator 35.
  • the grounding electrode 34 may be supported directly on the outer wall 36.
  • the suppression electrode 30, the holding plate 31, the extraction electrode 32, the lens electrode 33, and the ground electrode 34 are all made of a non-magnetic material such as titanium.
  • the lower surface of the coil 26 is covered with a vacuum seal plate 37 made of nonmagnetic material such as titanium.
  • the holding plate 31 for the suppressing electrode 30 is supported on an upper plate 39 via an insulator 38.
  • the first magnetic pole piece 27, the second magnetic pole piece 28, the vacuum sealing plate 37, the insulator 38 and the upper plate 39 form a vacuum chamber.
  • the vacuum chamber which includes the emitter tip and the magnetic lenses, is mounted on top of the outer wall 36 of the column.
  • the support member 41 has holes 41A for vacuum evacuation.
  • the support member 41 is electrically insulated from the first magnetic pole pieces 27 via an insulator 42.
  • FIG. 5 A schematic diagram of the structure of another previously known particle beam head for a scanning particle microscope, Figs. 5 and 6.
  • a generally designed as a hairpin 50 with attached sharp metal tip 51 cold or heated field emitter 52 is attached via an insulator 53 against a metal panel 54 with extraction opening 55 and brought to high negative or positive potential to the most grounded diaphragm 54.
  • particles 56 are drawn out of the surface of the field emission tip 51 and are prompted against the diaphragm 54.
  • the aperture is generally very small, since the subsequent particle optics of the particle microscope can only meaningfully use the central part of the particle beam 56 extracted from the field emitter 52. As a result, even a small fraction of the extracted particle stream is available for image acquisition.
  • the invention has for its object to provide a device for (thermally induced or cold) field emission of particles for particle-optical devices and a manufacturing process available, which is structurally simpler and thus can be manufactured more cheaply.
  • a device for field emission of particles for particle-optical devices, in particular electron or ion microscopes, with at least one particle emitter arranged in a vacuum space or in a vacuum space with at least one field emitter tip for emission of the particles, and one the at least one particle emitter associated magnetic field generator for focusing or focusing of the emitted particle flow, wherein the particle emitter is formed by on its surface in the surface on the side facing away from the magnetic field generator made of electrically conductive emitter structures, the substrate is electrically insulating at least on this surface, and the Substrate is formed as a partition wall between the vacuum space and the outside of the Va- vacuum space lying atmospheric space, and the magnetic field generator outside of the vacuum space on the emitter structures from facing side of the substrate is arranged.
  • the substrate carries on its side facing the vacuum space a plurality of microstructures of thin conductive layers and one or more field emitter tips, which together form the particle emitters, wherein the substrate via insulators vacuum-tight to a vacuum space enclosing, in particular electrically conductive jet tube is connected, and the magnetic field generator is arranged outside the vacuum space.
  • the emitter structures fabricated on or in the surface of the substrate have micromechanical dimensions and the field emitter tip has a radius of curvature smaller than 50 nm, and in particular smaller than 20 nm, preferably smaller than 10 nm, and furthermore, preferably less than 5 nm.
  • the substrate carries a multiplicity of thin microstructures on its side facing the vacuum space conductive layers and one or more field emitter tips, which together represent the particle emitter, wherein the substrate is connected via insulators vacuum-tight to a vacuum space enclosing, in particular electrically conductive jet tube.
  • both the magnetic field generator and other magnetic field forming or influencing devices such as coils and / or magnets are all arranged outside the vacuum space.
  • the magnetic field generator advantageously generating a magnetic field which is at least largely at the location of the field emitter tip substantially perpendicular to the surface of the extraction structures.
  • Particle beam after leaving the magnetic field effect area is substantially reduced or the particle beam is made convergent.
  • a divergent emitted electron beam after about 0, 2 mm becomes a parallel beam.
  • the invention proposes a device for field emission of particle beams, which uses a magnetic immersion lens to minimize the aperture error of the particle optics.
  • the particle emitter is made in a miniaturized version.
  • the miniaturization is such that the entire emitter structure lies on the surface of a flat substrate.
  • the substrate thickness is chosen to be so thin that the majority of the magnetic field generating device can be mounted on the atmosphere-facing side of the substrate without the magnetic field being excessively reduced across the thickness of the substrate.
  • the substrate may be designed to limit the vacuum of the particle emitter. This makes it possible to place the magnetic field generating unit entirely outside the emitter vacuum. This significantly simplifies the power supply, cooling and adjustment of the magnetic field coils or permanent magnets. Also, because of the small substrate thickness and miniaturization, only a magnetic field of small spatial extent is needed. This can be advantageously generated by small coils and / or small permanent magnets. In this way, advantageously at least part of the magnetic field can be generated by a small permanent magnet.
  • the required extraction voltage in the case of miniaturized emitters is typically 100 V and is thus considerably smaller than that of the customary particle emitters of typically 5000 V.
  • the energy of the particles in the volume range of interest is smaller, and thus also for the focusing effect of In the- Mersionslinse necessary magnetic field strength.
  • the initially divergent particle beam is first parallel after a distance of 0.21 mm; at 5000 eV, this occurs only after 1.5 mm. The larger this distance, the greater the lateral extent of the particle beam and also the aperture error of the subsequent particle optics. This illustrates the advantageousness of the low electron energies of miniaturized emitters for reducing opening errors of subsequent electron-optical components.
  • ion beams with increased voltage and suitable polarity of the emitter potential relative to the extraction electrode (eg positive polarity for generating positive ions).
  • the field emission of ion beams requires much higher extraction voltage (eg, typically 10 times higher) than that required for particle beams, and also significantly higher magnetic fields of the magnetic lens.
  • the field emission from higher ionic currents also requires the cooling of the field emitter if the ions are transported from the gas phase to the field emitter tip.
  • a favorable cooling temperature is generally from rare gases below -100 0 C (173 K), preferably below -200 0 C (73 K).
  • the already necessary cooling temperature in the emitter region can also be used to generate a strong magnetic field by means of superconductivity.
  • the method according to the invention for producing a particle emitter for field emission of particles for particle-optical devices, in particular electron or ion microscopes, comprising at least one particle emitter arranged in a vacuum space or in a vacuum space with at least one field emitter tip for emitting particles, and at least one a magnetic field generator associated with a particle emitter For bundling or focusing the emitted particle flow, it is characterized in that the particle emitter is formed with its field emitter tip by emitter structures fabricated on or in the surface on the side of a substrate facing away from the magnetic field generator, and the substrate as a partition wall between the vacuum space and the outside of the vacuum chamber atmospheric space is used, and the magnetic field generator outside the vacuum space on the side facing away from the emitter structures of the substrate is arranged.
  • the thin conductive layers and the one or more particle emitters together constitute the extraction structures, and these are produced by means of particle beam lithographic methods.
  • the particle emitter tip can be generated on an emitter conductor by means of particle beam deposition.
  • Some of the thin conductive layers form the extractor electrodes and / or other particle-optical devices, such as, for example, electrostatic focusing lenses and / or stigmators.
  • a multiplicity of similar emitters with miniaturized focusing and / or detector devices are formed next to one another in a narrow space on the substrate.
  • the miniaturized emitter tip is formed heatable, and on the substrate for the heating of the emitter tip by electrical current flow, a feed line track is formed.
  • it may be provided to cool the substrate and / or the particle emitter by an external device. This has particular advantages for generating ion beams of noble gas ions with the particle emitter.
  • the atmospheric space lying outside the vacuum space can be lowered in its pressure relative to the normal air pressure by technical measures in order to allow a smaller thickness of the substrate and thus a higher inhomogeneity of the magnetic field.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a preferred embodiment
  • Figure 2 is an enlarged detail view of a detail
  • Figure 3 is a schematic plan view in the preferred embodiment
  • Figure 4 is a schematic sectional view of a prior art electron beam source with integrated magnetic
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of a previously known electron beam head for a scanning electron microscope
  • Figure 6 is a schematic sectional view of another prior art electron beam source with integrated magnetic lens of a scanning electron microscope.
  • FIGS. 1 to 3 show a preferred exemplary embodiment of a device according to the invention for field emission of particles for particle-optical devices, such as, in particular, electron or ion microscopes.
  • the device 1 according to the invention comprises at least one particle emitter 3 arranged in a vacuum space 2 or pointing into the vacuum space 2 with at least one field emitter tip 4 for emission of the particles indicated schematically by arrows 5, in particular electrons, and a magnetic field generator 6 assigned to the at least one particle emitter 3 for bundling or focusing the emitted particle flow 5.
  • the particle emitter 3 with its field emitter tip 4 is formed by emitter structures 9 made on or in the surface 7 on the side of a substrate 8 facing away from the magnetic field generator 6.
  • the substrate 8 is as a partition wall between the vacuum space 2 and the outside of the
  • Vacuum space 2 lying atmospheric chamber 10 is formed, wherein the magnetic field generator 6 is disposed outside of the vacuum space 2 on the side facing away from the emitter structures 9 14 of the substrate 8.
  • the emitter structures 9 fabricated on or in the surface 7 of the substrate 8 have micromechanical dimensions and the field emitter tip 4 is designed in such a way that the radius of curvature r of the field emitter tip 4 is smaller than 50 nm, and in particular smaller than 20 nm, preferably smaller is greater than 10 nm, and further preferably less than 5 nm.
  • the magnetic field generated by the magnetic field generator 6 is schematically indicated by the dashed lines 20.
  • the effective range of the magnetic field generated by the magnetic field generator 6 for focusing or focusing the emitted particle flow 5 is less than approximately 10 mm, and preferably less than approximately 3 mm, and particularly preferably less than about 1 mm, wherein the magnetic field generator 6 generates a magnetic field which is at least for the most part at the location of the field emitter tip 4 substantially perpendicular to the surface of the extraction structures 9.
  • the substrate 8 carries on its the vacuum space 2 side facing a variety of structures
  • the substrate 8 is vacuum-tight via insulators 12 to a chamber surrounding the vacuum chamber, in particular electrically conductive
  • the dimensions of the magnetic field generator 6 are less than about 10 mm, and preferably less than about 3 mm.
  • the virtual source size of the emitter 3 is smaller than 100 nm 2 , and is in particular smaller than 10 nm 2 , and furthermore preferably smaller than 1 nm 2 .
  • the emission area of the emitter 3 for the particle emission is smaller than 100 nm 2 , and is in particular smaller than 25 nm 2 , and is preferably in particular smaller than 10 nm 2 , and furthermore particularly preferably smaller than 1 nm 2 .
  • the field emitter tip 4 may be advantageously made of at least two different materials, and here in particular a base structure 15 of a metal-containing material and a near-surface layer structure 16 having a higher proportion of carbon or other substance having preferred properties, wherein the at least two different materials deposited by electron beam deposition on the substrate 8 and / or made by vapor deposition of the material on the substrate 8.
  • the emitter tip 4 may be made of a paramagnetic material or comparable material that increases the magnetic field strength at the location of the particle emission. Alternatively, you can the emitter tip 4 may be made of a ferromagnetic material or a comparable material which increases the magnetic field strength at the location of the electron emission.
  • the substrate 8 may be made of a para-, ferro-, or permanent magnetic magnetic material, and in this case has only a thin insulating layer on the substrate surface 7 with the emitter structures 9 thereon.
  • the particle emitter device 1 has a directional beam value of greater than 1000 A / (cm 2 sr V), and in particular greater than 5000 A / (cm 2 sr V), and in particular greater than 10,000 A / (cm 2 sr V ).
  • the conductive layers of the structures 9, 11, 17, 18 extend over the area occupied by the vacuum space 2 and the insulators 12 up to the side facing the ambient atmosphere, where they form electrically conductive areas 21 for contacting there.
  • the magnetic field generator 6 generates a magnetic field which is at least for the most part at the location of the field emission tip 4 substantially perpendicular to the surface 7 of the extraction structures.
  • the magnetic field generator 6 consists of a permanent magnet of a few mm dimensions, wherein the magnetic field generated by the magnetic field generator 6 does not significantly more than a few mm in the vacuum chamber 2 expands in order not to disturb the further particle-optical structure there.
  • the magnetic field generator 6 can be mechanically adjusted by means of an adjusting unit (not shown in greater detail in the figures).
  • the magnetic field generator 6 consists of a permanent magnet and / or one or more coils. The coils are preferably used for fine adjustment and spatial adjustment of the magnetic field generated by the permanent magnet.
  • the permanent magnet can, for.
  • the magnetic field generator 6 consists of a coil of superconducting material. This embodiment is particularly suitable for the generation of ion beams.
  • the magnetic field generator generating the magnetic immersion lens may be disposed outside of the particle emitter vacuum space 2.
  • the thin conductive layers 9, 11, 17, 18 and the one or more field emitter tips 4 together form the particle emitters 3, these being manufactured by means of particle beam lithographic process steps.
  • the particle emitter tip 4 is produced by means of particle beam deposition.
  • a portion of the thin conductive layers 9, 11, 17, 18 simultaneously form the extractor electrodes and / or other particle-optical devices, such as electrostatic focusing lenses and / or stigmators.
  • the substrate 8 has a thickness of preferably 1 mm or more in order to withstand the pressure difference prevailing between the atmosphere space 10 and the vacuum space 2.
  • the thickness of the conductive layers of the microstructures 11 is preferably about 100 nm, and their width is between 1 .mu.m and several mm, depending on the particle optical requirements, the emission peak 4 being about 1 .mu.m high and less than 1 .mu.m at the base , Further interconnects serve as extraction structures.
  • a plurality of similar emitters 3 with miniaturized focusing and / or further particle-optical components can advantageously be formed adjacent to one another in a small space.
  • a large number of such emitters 3 with miniaturized focusing and detector devices are used side by side in a small space. This allows a much faster and cost-effective investigation of large samples, for example in the semiconductor tertechnik, as it is possible with the previous large particle microscopes.
  • the miniaturized emitter tip 4 is heated. This is preferably done by heating the supply conductor by electrical current flow, wherein on the substrate 8 at the same time for the heating of the emitter tip 4 by electrical current flow required supply conductor can be formed. A heating of the emitter tip 4 has a positive effect on the stability of the emitted particle flow 5.
  • the advantage of the invention lies in the fact that the heater with a supply line lying on the substrate 8 is much easier to produce than the corresponding prior art hairpins 52nd Despite the higher temperature loss on the substrate 8, with the formation of a heater according to the invention it is still possible to apply temperatures to it. emitter tip 4 of over 1000 degrees Celsius to produce.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur thermisch induzierten Feldemission von Teilchen für teilchenoptische Geräte wie insbesondere Elektronen- oder Ionenmikroskope, mit wenigstens einem in einem Vakuumraum (2) angeordneten bzw. in einen Vakuumraum (2) zeigenden Teilchenemitter (3) mit wenigstens einer Feldemitterspitze (4) zur Emission der Teilchen, und einer dem wenigstens einen Teilchenemitter (3) zugeordneten Magnetfelderzeuger (6) zur Fokussierung des emittierten Teilchenstroms (5), wobei der Teilchenemitter (3) mit seiner Feldemitterspitze (4) durch auf bzw. in der Oberfläche (7) auf der dem Magnetfelderzeuger (6) abgewandten Seite eines Substrates (8) gefertigte Emitterstrukturen (9) ausgebildet ist, und das Substrat (8) als Trennwandung zwischen dem Vakuumraum (2) und dem außerhalb des Vakuumraumes (2) liegenden Atmosphärenraum (10) ausgebildet ist, und der Magnetfelderzeuger (6) außerhalb des Vakuumraums (2) auf der den Emitterstrukturen (9) abgewandten Seite (14) des Substrates (8) angeordnet ist.

Description

Vorrichtung zur Feldemission von Teilchen und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feldemission von Teilchen für teilchenoptische Geräte nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 28.
Bei teilchenoptischen Geräten, wie zum Beispiel Rasterelektro- nenmikroskopen für die Untersuchung der Oberflächenstruktur oder Mikrosonden für die Materialuntersuchung durch Teilchenstrahlanregung, ist der Durchmesser des Teilchenstrahls auf der Probenoberfläche (Sondenstrom) in Kombination mit der Sondenstromstärke eine für das Auflösungsvermögen des Geräts ent- scheidende Größe. Diese Kombination wird Sondenstromdichte genannt. Die Sondenstromdichte und damit das Auflösungsvermögen wird im allgemeinen durch die chromatische („Farbfehler") und die sphärische Aberration (Öffnungsfehler) in der Teilchenoptik nach oben begrenzt. Weitere Einschränkungen für die Son- denstromdichte spielen bei den betrachteten Anwendungen nur eine nebensächliche Rolle. Die Energiebreite des Teilchenstroms ist für die chromatische Aberration ursächlich, die räumliche Ausdehnung des Teilchenstrahls in der Teilchenoptik für die sphärische Aberration. Die räumliche Ausdehnung des Teilchenstrahls kann mit einem Teilchenmikroskop nicht allzu klein gemacht werden, ohne aufgrund von Signalrauschen bei der Bildaufzeichnung die Zeit für das Aufzeichnen eines Bildes auf unpraktikable Werte zu erhöhen. Jedoch kann sie ohne Verlust an Signal- zu Rauschverhältnis bei Teilchenstrahlen mit höhe- rem Richtstrahlwert kleiner sein als bei Strahlen mit kleinem Richtstrahlwert. Eine hohe Sondenstromdichte wird durch hohen Richtstrahlwert des Sondenstroms begünstigt. Der minimale Durchmesser des Teilchenstrahls auf der Probe bei einem bestimmten Signal zu Rauschverhältnis ist bei modernen Geräten also einerseits durch den Richtstrahlwert der Teilchenquelle begrenzt, andererseits durch die Energiebreite des Teilchenstrahls. Die Energiebreite des Sondenstroms ist im wesentlichen durch die Temperatur und das Material des Teilchenemit- ters vorgegeben. Für kleinste Sondenstromdurchmesser sind minimalste Energiebreiten notwendig. Kalte Metalle haben im allgemeinen die geringsten Energiebreite für Teilchenemission und damit die besten Voraussetzungen für hohe Sondenstromdichten und hohes Auflösungsvermögen. Der Richtstrahlwert des Sonden- Stroms ist durch den Richtstrahlwert des Teilchenemitters begrenzt, weil der Richtstrahlwert durch teilchenoptische Komponenten bei konstanter Teilchenenergie nicht erhöht werden kann. Jedoch verringern teilchenoptische Komponenten bei ungeeigneter Konstruktion den Richtstrahlwert. Daher ist für höchste Auflösung darauf zu achten, dass alle teilchenoptischen Komponenten optimiert sind.
Teilchenemitter für hochauflösende Rasterelektronenmikroskope besitzen eine scharfe Spitze aus Metall von einem Mikrometer Durchmesser oder weniger. Diese Spitze ist je nach Ausführung des Emitters ungeheizt für kleinste Energiebreiten des Teilchenstrahls oder geheizt zur leichteren Teilchenemission aus der Emitteroberfläche für höheren Emissionsstrom. Alle derartigen Emitter haben zur Extraktion des Teilchenstrahls ein ho- hes elektrisches Feld anliegen zur Anregung von Feldemission. Dieses Feld ist aufgrund des kleinen Durchmessers der Emitterspitze inhomogen. Dadurch wirkt es wie eine elektrostatische Immersionslinse (eine Immersionslinse ist eine Linse, bei der das Objekt oder das Bild im Feld der Linse liegt) . Diese elek- trostatische Immersionslinse ist ein integraler Bestandteil jedes derartigen Emitters.
Es ist aus der Teilchenoptik bekannt, dass magnetische Linsen im Vergleich zu elektrostatischen Linsen die besseren teil- chenoptischen Eigenschaften besitzen. Ebenso ist bekannt, dass Immersionslinsen im Vergleich zu üblichen Linsen die besseren Teilchenoptischen Eigenschaften besitzen. Es wird in der Literatur über Versuche berichtet, Teilchenemitter für Teilchenmikroskope mit einem zusätzlichen magnetischen Immersionslinse zu versehen, um so die Teilchenoptischen Eigenschaften der Immersionslinse zu verbessern (M. Troyon: "High current effi- ciency field emission gun System incorporating a preaccelera- tor magnetic lens. Its use in CTEM", OPTIK 57, no. 2 (1980), 401 - 419; A. Delong et al.: "A new design of a field emis- sion gun with a magnetic lens", Optik 81, no. 3 (1989), 103 - 108; US patent 5,041,732). Diese Verbesserung wurde auch experimentell bestätigt. Allerdings ist die Konstruktion einer zusätzlichen magnetischen Immersionslinse komplex und aufwendig aufgrund der Anforderungen an Vakuum und Raumbedarf. Aus die- sem Grund existieren bislang keine Teilchenemitter mit integrierter magnetischer Linse als kommerzielles Produkt auf dem Teilchenmikroskopiesektor.
Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer eine magnetische Linse beinhaltende Teilchenstrahlquelle eines Teilchenmikro- skopes, insbesondere Elektronenstrahlmikroskop, wie es beispielsweise aus der US 5,041,732 bekannt ist. Ein solches Elektronenmikroskop hat eine Feldemissionsspitze 21, welche am Ende eines Glühdrahtes 22 befestigt ist, wobei der Glühdraht 22 mit Anschlusselektroden 24 verbunden ist, welche sich entlang eines Isolators 23 erstrecken. Eine Magnetlinse 25 um- fasst eine Kreisspule 26, ein erstes Magnetpolstück 27, welches die Spule 26 umfasst, und einen magnetischen Pfad ausbildet, und ein zweites Magnetpolstück 28, welches gegenüber dem ersten Magnetpolstück 27 elektrisch isoliert, jedoch magnetisch verbunden ist, um einen magnetischen Feldlinienpfad auszubilden. Der Innendurchmesser des ersten Magnetpolstückes 27 ist größer als der äußere Durchmesser einer Halteplatte 31 für eine Unterdrückungselektrode 30, wobei die Emitterspitze 21 und die Unterdrückungselektrode 30 innerhalb der Magnetlinse 25 untergebracht sind. Das magnetische Feld verläuft zwischen einer unteren endseitigen Oberfläche 27A des ersten Magnetpolstückes 27 und einer oberen endseitigen Oberfläche 28A des zweiten Magnetpolstückes 28. Die Emitterspitze 21 ist etwa auf gleicher Höhe zwischen den beiden innenseitigen Oberflächen
27A und 28A angeordnet. Der Innendurchmesser des zweiten Magnetpolstückes 28 ist kleiner als der Innendurchmesser des ersten Magnetpolstückes 27, dergestalt, dass der Maximalwert der magnetischen Flussdichte möglichst nahe an der Emitterspitze 21 zu liegen kommt. Die Unterdrückungselektrode 30 ist auf dem Isolator 23 dergestalt befestigt, dass sie die Emitterspitze 21 umgibt, und wird durch die Halteplatte 31 abgestützt. Eine Extraktionselektrode 32 mit einer engen Zentralbohrung ist mit dem mittigen Abschnitt des zweiten Magnetpolstückes 28 befes- tigt. Eine Linsenelektrode 33 mit einer Zentralbohrung ist unterhalb der Extraktionselektrode 32 angeordnet, und es ist eine Erdungselektrode 34 mit einer Zentralbohrung unterhalb der Linsenelektrode 33 angeordnet. Die Linsenelektrode 33 ist auf einer äußeren Wandung 36 einer Säule über einen Isolator 35 abgestützt. Die Erdungselektrode 34 kann direkt auf der äußeren Wandung 36 abgestützt sein. Die Unterdrückungselektrode 30, die Halteplatte 31, die Extraktionselektrode 32, die Linsenelektrode 33 und die Erdungselektrode 34 sind allesamt aus einem nichtmagnetischem Material wie beispielsweise Titan ge- fertigt. Die untere Oberfläche der Spule 26 ist mit einer aus nichtmagnetischem Material wie beispielsweise Titan hergestellten Vakuumdichtplatte 37 bedeckt. Die Halteplatte 31 für die Unterdrückungselektrode 30 ist auf einer oberen Platte 39 über einen Isolator 38 abgestützt. Dabei bilden das erste Mag- netpolstück 27, das zweite Magnetpolstück 28, die Vakuumabdichtplatte 37, der Isolator 38 und die obere Platte 39 eine Vakuumkammer. Hierbei ist die Vakuumkammer, welche die Emitterspitze und die magnetischen Linsen umfasst, auf der Oberseite der äußeren Wand 36 der Säule befestigt. Ein Stützteil 41, für welches aus einem nicht magnetischem Material wie bei- spielsweise Titan hergestellt ist, ist zwischen den ersten und zweiten Magnetpolstücken dergestalt vorgesehen, dass eine Deformation oder eine Verschiebung der Vorrichtung bzw. deren Bestandteile vermieden wird, welche durch magnetische Kräfte verursacht sein kann. Das Stützteil 41 hat Bohrungen 41A für die Vakuumevakuierung. Das Stützteil 41 ist über einen Isolator 42 von den ersten Magnetpolstücken 27 elektrisch isoliert.
Eine Prinzipskizze des Aufbaus eines weiteren bisher bekannten Teilchenstrahlkopfes für ein Rasterteilchenmikroskop zeigen die Fig. 5 und 6. Ein im allgemeinen als Haarnadel 50 mit angehefteter scharfer Metallspitze 51 ausgeführter kalter oder geheizter Feldemitter 52 ist über einen Isolator 53 gegenüber einer Metallblende 54 mit Extraktionsöffnung 55 angebracht und auf hohem negativem oder positivem Potential gegenüber der meist auf Erdpotential liegenden Blende 54 gebracht. Durch die hohe angelegte Spannungsdifferenz zwischen kaltem Feldemitter 51 und Blende 54 werden Teilchen 56 aus der Oberfläche der Feldemissionsspitze 51 gezogen und gegen die Blende 54 be- scheunigt. Die Blendenöffnung ist im allgemeinen sehr klein, da die nachfolgende Teilchenoptik des Teilchenmikroskops nur den zentralen Teil des aus dem Feldemitter 52 extrahierten Teilchenstrahls 56 sinnvoll nutzen kann. Daraus ergibt sich, dass auch nur ein kleiner Bruchteil des extrahierten Teilchen- Stroms für die Bildaufnahme zur Verfügung steht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur (thermisch induzierten oder kalten) Feldemission von Teilchen für teilchenoptische Geräte und ein Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, die konstruktiv einfacher ist und damit kostengünstiger gefertigt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Vorrichtung und das im Anspruch 28 angegebene Verfahren gelöst. Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Feldemission von Teilchen für teilchenoptische Geräte wie insbesondere Elektronen- oder Ionenmikroskope vorgesehen, mit wenigstens einem in einem Vakuumraum angeordneten bzw. in einen Vakuumraum zeigen- den Teilchenemitter mit wenigstens einer Feldemitterspitze zur Emission der Teilchen, und einer dem wenigstens einen Teilchenemitter zugeordneten Magnetfelderzeuger zur Bündelung oder Fokussierung des emittierten Teilchenstroms, wobei der Teilchenemitter mit seiner Feldemitterspitze durch auf bzw. in der Oberfläche auf der dem Magnetfelderzeuger abgewandten Seite eines Substrates gefertigte elektrisch leitfähige Emitterstrukturen ausgebildet ist, das Substrat zumindest an dieser Oberfläche elektrisch isolierend ist, und das Substrat als Trennwandung zwischen dem Vakuumraum und dem außerhalb des Va- kuumraumes liegenden Atmosphärenraum ausgebildet ist, und der Magnetfelderzeuger außerhalb des Vakuumraums auf der den Emitterstrukturen abgewandten Seite des Substrates angeordnet ist.
Dem Prinzip der Erfindung folgend ist vorgesehen, dass das Substrat auf seiner dem Vakuumraum zugewandten Seite mehrere Mikrostrukturen aus dünnen leitfähigen Schichten und einen oder mehrere Feldemitter-Spitzen trägt, welche zusammen die Teilchenemitter darstellen, wobei das Substrat über Isolatoren vakuumdicht an eine den Vakuumraum umschließende, insbesondere elektrisch leitfähige Strahlröhre verbunden ist, und der Magnetfelderzeuger außerhalb des Vakuumraums angeordnet ist.
Im Sinne der Erfindung ist dabei von Vorteil vorgesehen, dass die auf bzw. in der Oberfläche des Substrates gefertigten Emitterstrukturen mikromechanische Dimensionen besitzen und die Feldemitterspitze einen Krümmungsradius besitzt kleiner als 50 nm, und insbesondere kleiner als 20 nm, bevorzugt kleiner als 10 nm, und weiterhin bevorzugt kleiner als 5 nm. Nach der Erfindung trägt das Substrat auf seiner dem Vakuumraum zu- gewandten Seite eine Vielzahl von Mikrostrukturen aus dünnen leitfähigen Schichten und einen oder mehrere Feldemitterspitzen, welche zusammen die Teilchenemitter darstellen, wobei das Substrat über Isolatoren vakuumdicht an eine den Vakuumraum umschließende, insbesondere elektrisch leitfähige Strahlröhre verbunden ist. Von Vorteil ist sowohl der Magnetfelderzeuger als auch sonstige das Magnetfeld formende oder beeinflussende Einrichtungen wie Spulen und/oder Magnete sämtlich ausserhalb des Vakuumraumes angeordnet.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelingt es bei einem mi- nimalen konstruktiven Aufwand, einen Wirkungsbereich des von dem Magnetfelderzeuger zur Bündelung oder Fokussierung des emittierten Teilchenstroms erzeugten Magnetfeldes kleiner als etwa 10 mm, und bevorzugt kleiner als etwa 3 mm, und insbesondere bevorzugt kleiner als etwa 1 mm zu generieren, wobei der Magnetfelderzeuger von Vorteil ein Magnetfeld erzeugt, das zumindest zum großen Teil am Ort der Feldemitterspitze im wesentlichen senkrecht auf der Oberfläche der Extraktionsstrukturen ist.
Die Dimensionen und Magnetfeldstärke des Magnetfelderzeugers sind hierbei bevorzugt so gewählt, dass die Divergenz des
Teilchenstrahls nach Verlassen des Magnetfeldwirkungsbereiches wesentlich reduziert wird bzw. der Teilchenstrahl konvergent gemacht wird. Bei einer dabei erzeugten Magnetfeldstärke von etwa 0~, 5 T und einer Elektronenstrahlenergie von 100 eV wird ein divergent emittierter Elektronenstrahl nach etwa 0, 2 mm ein paralleler Strahl.
Die Erfindung schlägt eine Vorrichtung zur Feldemission von Teilchenstrahlen vor, die eine magnetische Immersionslinse benützt, um den Öffnungsfehler der Teilchenoptik zu minimieren. Die Vorrichtung zur Feldemission hat wesentliche Teile mit Dimensionen im Mikrometerbereich oder darunter und wird über MEMS-Technologie (MEMS = micro electro mechanical System) hergestellt, was die erforderliche Ausdehnung des magnetischen Immersionsfeldes minimiert. Dies erlaubt wiederum den Einsatz von preiswerten magnetostatischen oder magnetodynamischen Einheiten, und eine einfachere Konstruktion dieser Immersionslinse. Wegen der Miniaturisierung des Feldemitter-Vorrichtung kann der die magnetische Immersionslinse erzeugende Magnetfelderzeuger außerhalb des Teilchenemitter-Vakuums platziert werden, was einen wesentlich weniger komplexen Aufbau der Vorrichtung erlaubt.
Dem Prinzip der Erfindung folgend besteht der Teilchenemitter in einer Ausfertigung von miniaturisierter Art. Die Miniaturisierung erfolgt derart, dass die gesamte Emitterstruktur auf der Oberfläche eines flachen Substrats liegt.
Die Substratdicke ist so dünn gewählt, dass der Hauptteil der Vorrichtung zur Erzeugung des magnetischen Feldes auf der der Atmosphäre zugewandten Seite des Substrats angebracht werden kann, ohne dass das Magnetfeld über die Dicke des Substrats sich zu sehr vermindert. Das Substrat kann als Begrenzung des Vakuums des Teilchenemitters ausgeführt werden. Dadurch wird es möglich, die Einheit zur Magnetfelderzeugung gänzlich außerhalb des Emittervakuums zu platzieren. Dies vereinfacht die Stromzuführung, Kühlung und Justierung der Magnetfeldspulen oder Permanentmagnete wesentlich. Ebenfalls ist wegen der ge- ringen Substratdicke und der Miniaturisierung nur ein magnetisches Feld von geringer räumlicher Ausdehnung nötig. Dieses kann vorteilhaft durch kleine Spulen und/oder kleine Permanentmagnete erzeugt werden. Damit kann vorteilhaft zumindest ein Teil des magnetischen Feldes durch einen kleinen Perma- nentmagnet erzeugt werden. Die erforderliche Extraktionsspannung bei miniaturiserten Emittern liegt bei typisch 100 V und ist somit wesentlich kleiner sind als die bei den üblichen Teilchenemittern von typisch 5000 V. Dadurch ist auch die Energie der Teilchen im interessierenden Volumenbereich klei- ner, und damit auch die für die Fokussierungswirkung der Im- mersionslinse notwendige magnetische Feldstärke. So ist zum Beispiel bei einer konstanten Teilchenstrahlenergie von 100 eV in einem Magnetfeld von konstant 0,5 T der anfänglich divergente Teilchenstrahl nach einer Strecke von 0,21 mm erstmalig parallel, bei 5000 eV erfolgt dies erst nach 1,5 mm. Je größer diese Strecke ist, desto größer ist auch die laterale Ausdehnung des Teilchenstrahls und auch die Öffnungsfehler der nachfolgenden Teilchenoptik. Dies verdeutlicht die Vorteilhaftig- keit der geringen Elektronenenergien von miniaturisierten Emittern zur Verminderung von Öffnungsfehlern nachfolgender elektronenoptischer Komponenten.
Es ist jedoch auch möglich, bei erhöhter Spannung und geeigneter Polarität des Emitterpotentials relativ zur Extraktions- elektrode (z. B. positive Polarität zur Erzeugung von positiven Ionen) Ionenstrahlen zu erzeugen. Die Feldemission von Ionenstrahlen erfordert wesentlich höhere Extraktionsspannung (z. B. typisch 10 fach höher) als diejenige für Teilchenstrahlen notwendige, und auch wesentlich höhere Magnetfelder der magnetischen Linse. Im allgemeinen erfordert die Feldemission von höheren Ionenströmen auch die Kühlung des Feldemitters, falls die Ionen aus der Gasphase an die Feldemitterspitze transportiert werden. Eine günstige Kühltemperatur ist im allgemeinen bei Edelgasen unter -1000C (173 K), bevorzugt un- ter -2000C (73 K) . Damit lässt sich die ohnehin notwendige Kühltemperatur im Emitterbereich auch zur Erzeugung eines starken Magnetfeldes mittels Supraleitung nutzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Teilche- nemitters zur Feldemission von Teilchen für teilchenoptische Geräte wie insbesondere Elektronen- oder Ionenmikroskope, mit wenigstens einem in einem Vakuumraum angeordneten bzw. in einen Vakuumraum zeigenden Teilchenemitter mit wenigstens einer Feldemitterspitze zur Abstrahlung von Teilchen, und einer dem wenigstens einen Teilchenemitter zugeordneten Magnetfelderzeu- ger zur Bündelung oder Fokussierung des emittierten Teilchenstroms, zeichnet sich dadurch aus, dass der Teilchenemitter mit seiner Feldemitterspitze durch auf bzw. in der Oberfläche auf der dem Magnetfelderzeuger abgewandten Seite eines Sub- strates gefertigte Emitterstrukturen ausgebildet wird, und das Substrat als Trennwandung zwischen dem Vakuumraum und dem außerhalb des Vakuumraumes liegenden Atmosphärenraum dient, und der Magnetfelderzeuger außerhalb des Vakuumraums auf der den Emitterstrukturen abgewandten Seite des Substrates angeordnet wird.
In bevorzugter Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die dünnen leitfähigen Schichten und der eine oder die mehreren Teilchenemitter zusammen die Extrakti- onsstrukturen darstellen, und diese vermittels Teilchenstrahl- lithographischer Methoden erzeugt werden. Hierbei kann die Teilchenemitter-Spitze auf einer Emitterleiterbahn vermittels Teilchenstrahldeposition erzeugt werden.
Ein Teil der dünnen leitfähigen Schichten bilden die Extrak- torelektroden und/oder andere teilchenoptische Einrichtungen wie zum Beispiel elektrostatische Fokussierlinsen und/oder Stigmatoren.
Von Vorteil werden auf dem Substrat eine Vielzahl gleichartiger Emitter mit miniaturisierten Fokussier- und/oder Detektoreinrichtungen auf engem Raum nebeneinander ausgebildet.
In Weiterführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die miniaturisierte Emitterspitze beheizbar ausgebildet ist, und auf dem Substrat für die Heizung der Emitterspitze durch elek- trischen Stromfluß eine Zuleitungsleiterbahn ausgebildet ist. In einer anderen Weiterführung der Erfindung kann vorgesehen sein,, das Substrat und/oder den Teilchenemitter durch eine externe Vorrichtung zu kühlen. Dies hat besonders Vorteile zur Erzeugung von Ionenstrahlen aus Edelgasionen mit dem Teilche- nemitter.
Der außerhalb des Vakuumraumes liegende Atmosphärenraum kann in seinem Druck gegenüber dem Normalluftdruck durch technische Maßnahmen erniedrigt sein, um eine geringere Dicke des Sub- strats und damit eine höhere Inhomogenität des Magnetfeldes zu erlauben.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.
Weitere Vorteile, Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines bevorzugten
Ausführungsbeispieles der Erfindung;
Figur 2 eine vergrößerte Detailansicht einer Einzelheit aus
Figur 1 bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Figur 3 eine schematische Daraufsicht bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Figur 4 eine schematische Schnittansicht einer vorbekannten Elektronenstrahlquelle mit integrierter magnetischer
Linse eines Rasterelektronenmikroskopes ;
Figur 5 eine Prinzipskizze eines vorbekannten Elektronen- strahlkopfes für ein Rasterelektronenmikroskop; und Figur 6 eine schematische Schnittansicht einer weiteren vorbekannten Elektronenstrahlquelle mit integrierter magnetischer Linse eines Rasterelektronenmikroskopes.
In den Figuren 1 bis 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungungsgemäßen Vorrichtung zur Feldemission von Teilchen für teilchenoptische Geräte wie insbesondere Elektronen- oder Ionenmikroskope dargestellt. Die erfindungungsgemäße Vorrichtung 1 umfasst wenigstens einen in einem Vakuumraum 2 angeordneten bzw. in den Vakuumraum 2 zeigenden Teilchenemitter 3 mit wenigstens einer Feldemitterspitze 4 zur Emission der gemäß Pfeile 5 nur schematisch angedeuteten Teilchen, insbesondere Elektronen, und einen dem wenigstens einen Teilchenemitter 3 zugeordneten Magnetfelderzeuger 6 zur Bündelung oder Fokussierung des emittierten Teilchenstroms 5. Erfindungsgemäß ist der Teilchenemitter 3 mit seiner Feldemitterspitze 4 durch auf bzw. in der Oberfläche 7 auf der dem Magnetfelderzeuger 6 abgewandten Seite eines Substrates 8 gefertigte Emitterstrukturen 9 ausgebildet. Das Substrat 8 ist als Trennwandung zwischen dem Vakuumraum 2 und dem außerhalb des
Vakuumraumes 2 liegenden Atmosphärenraum 10 ausgebildet, wobei der Magnetfelderzeuger 6 außerhalb des Vakuumraums 2 auf der den Emitterstrukturen 9 abgewandten Seite 14 des Substrates 8 angeordnet ist. Die auf bzw. in der Oberfläche 7 des Substra- tes 8 gefertigten Emitterstrukturen 9 besitzen mikromechanische Dimensionen und die Feldemitterspitze 4 ist ausgeführt dergestalt, dass der Krümmungsradius r der Feldemitterspitze 4 kleiner ist als 50 nm, und insbesondere kleiner ist als 20 nm, bevorzugt kleiner ist als 10 nm, und weiterhin bevorzugt klei- ner ist als 5 nm. Das vom Magnetfelderzeuger 6 generierte magnetische Feld ist schematisch durch die Strichlinien 20 angedeutet. Der Wirkungsbereich des vom Magnetfelderzeuger 6 zur Bündelung oder Fokussierung des emittierten Teilchenstroms 5 erzeugten Magnetfeldes ist kleiner als etwa 10 mm, und bevor- zugt kleiner als etwa 3 mm, und insbesondere bevorzugt kleiner als etwa 1 mm, wobei der Magnetfelderzeuger 6 ein Magnetfeld erzeugt, das zumindest zum großen Teil am Ort der Feldemitterspitze 4 im wesentlichen senkrecht auf der Oberfläche der Extraktionsstrukturen 9 ist. Das Substrat 8 trägt auf seiner dem Vakuumraum 2 zugewandten Seite eine Vielzahl von Strukturen
9,11,17,18 aus dünnen leitfähigen, voneinander elektrisch isolierten Schichten und einen oder mehrere Feldemitterspitzen 4, welche zusammen die Teilchenemitter 3 darstellen. Hierbei ist das Substrat 8 über Isolatoren 12 vakuumdicht an eine den Va- kuumraum umschließende, insbesondere elektrisch leitfähige
Strahlröhre 13 verbunden, wobei der Magnetfelderzeuger 6 außerhalb des Vakuumraums 2 und auf der den Emitterstrukturen 9 abgewandten Rückseite 14 des Substrates 8 angeordnet ist. Die Dimensionen des Magnetfelderzeugers 6 sind kleiner als etwa 10 mm, und bevorzugt kleiner als etwa 3 mm. Die virtuelle Quellgröße des Emitters 3 ist kleiner als 100 nm2 , und ist insbesondere kleiner als 10 nm2, und weiterhin vorzugsweise kleiner als 1 nm2. Die Emissionsfläche des Emitters 3 für die Teilchenemission ist kleiner als 100 nm2 , und ist insbesondere kleiner als 25 nm2 , und ist bevorzugt insbesondere kleiner als 10 nm2 , und weiterhin insbesondere bevorzugt kleiner als 1 nm2.
Die Feldemitterspitze 4 kann von Vorteil aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien gefertigt sein, und hierbei ins- besondere eine Basisstruktur 15 aus einem metallhaltigen Material und eine oberflächennahe Schichtstruktur 16 mit einem höheren Anteil an Kohlenstoff oder einem anderen Stoff mit bevorzugten Eigenschaften aufweisen, wobei die wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien durch Elektronenstrahldeposition auf dem Substrat 8 abgeschieden und/oder durch Aufdampfen des Materials auf das Substrat 8 gefertigt sind. Die Emitterspitze 4 kann aus einem paramagnetischen Material oder einem vergleichbaren Material gefertigt sein, welches die Magnetfeldstärke am Ort der Teilchenemission vergrößert. Alternativ kann die Emitterspitze 4 aus einem ferromagnetischen Material oder einem vergleichbaren Material gefertigt sein, welches die Magnetfeldstärke am Ort der Elektronenemission vergrößert. Das Substrat 8 kann aus einem para-, ferro-, oder permanentmagnet- magnetischem Material hergestellt sein, und weist in diesem Fall lediglich eine dünne isolierende Schicht auf der Substratoberfläche 7 mit den darauf befindlichen Emitterstrukturen 9 auf.
Die erfindungsgemäße Teilchenemittervorrichtung 1 besitzt ei- nen Richtstrahlwert von größer als 1000 A/ (cm2 sr V), und insbesondere von größer als 5000 A/ (cm2 sr V), und insbesondere von größer als 10.000 A/ (cm2 sr V).
Die leitfähigen Schichten der Strukturen 9, 11, 17, 18 erstrecken sich über den vom Vakuumraum 2 und den Isolatoren 12 ein- genommenen Bereich bis an die der Umgebungsatmosphäre zugewandten Seite, wobei sie dort elektrisch leitfähige Flächen 21 zur Kontaktierung bilden.
Der Magnetfelderzeuger 6 erzeugt ein Magnetfeld, das zumindest zum großen Teil am Ort der Feldemissionsspitze 4 im wesentlichen senkrecht auf der Oberfläche 7 der Extraktionsstrukturen ist. Der Magnetfelderzeuger 6 besteht aus einem Permanentmagneten von wenigen mm Abmessungen, wobei sich das vom Magnetfelderzeuger 6 generierte Magnetfeld nicht wesentlich weiter als wenige mm in den Vakuumraum 2 hinein ausdehnt, um den weiteren teilchenoptischen Aufbau dort nicht zu stören. Der Magnetfelderzeuger 6 kann mittels einer (in den Fig. nicht näher gezeigten) Justiereinheit mechanisch justiert werden. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung besteht der Magnetfelder- zeuger 6 aus einem Permanentmagneten und/oder einer oder mehrerer Spulen. Die Spulen dienen bevorzugt zur Feineinstellung und räumlichen Justierung des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes. Der Permanentmagnet kann z. B. aus einem geeignet geformten und magnetisierten permanentmagnetischen Materi- al (wie z. B. CoSm oder NdFeB) sein. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung besteht der Magnetfelderzeuger 6 aus einer Spule aus supraleitendem Material. Diese Ausführung ist besonders geeignet für die Erzeugung von Ionenstrahlen. Der die magnetische Immersionslinse erzeugende Magnetfelderzeuger kann außerhalb des Teilchenemitter-Vakuumraumes 2 angeordnet sein.
Die dünnen leitfähigen Schichten 9, 11, 17, 18 und der eine oder die mehreren Feldemitterspitzen 4 bilden zusammen die Teilchenemitter 3, wobei diese vermittels teilchenstrahllitho- graphischer Verfahrensschritte gefertigt wurden. Insbesondere ist die Teilchenemitterspitze 4 vermittels Teilchenstrahld- eposition erzeugt. Ein Teil der dünnen leitfähigen Schichten 9, 11, 17, 18 bilden gleichzeitig die Extraktorelektroden und/oder andere teilchenoptische Einrichtungen wie zum Beispiel elektrostatische Fokussierlinsen und/oder Stigmatoren.
Das Substrat 8 besitzt eine Stärke von vorzugsweise 1 mm oder mehr, um der zwischen der Atmosphärenraum 10 und dem Vakuum- räum 2 herrschenden Druckdifferenz standzuhalten. Die Dicke der leitfähigen Schichten der Mikrostrukturen 11 beträgt vorzugsweise etwa 100 nm, und ihre Breite beträgt je nach den teilchenoptischen Erfordernissen zwischen 1 μm und mehreren mm, wobei die Emissionsspitze 4 etwa 1 μm hoch und an der Ba- sis weniger als 1 μm breit ist. Weitere Leiterbahnen dienen als Extraktionsstrukturen. Auf dem Substrat 8 kann von Vorteil eine Vielzahl gleichartiger Emitter 3 mit miniaturisierten Fo- kussier- und/oder weiteren teilchenoptischen Komponenten auf engem Raum nebeneinander ausgebildet sein.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung finden eine Vielzahl derartiger Emitter 3 mit miniaturisierten Fokussier- und Detektoreinrichtungen auf engem Raum nebeneinander Anwendung. Dies erlaubt eine wesentlich schnellere und kostengünstiger Untersuchung von großen Proben, zum Beispiel in der Halblei- tertechnik, als es mit den bisherigen großen Teilchenmikroskopen möglich ist.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die miniaturisierte Emitterspitze 4 beheizt. Dies erfolgt bevorzugt über die Heizung der Zuleitungsleiterbahn durch elektrischen Stromfluß, wobei auf dem Substrat 8 gleichzeitig auch die für die Heizung der Emitterspitze 4 durch elektrischen Stromfluß erforderliche Zuleitungsleiterbahn ausgebildet sein kann. Eine Beheizung der Emitterspitze 4 hat positive Auswirkungen auf die Stabilität des emittierten Teilchenstroms 5. Der Vorteil der Erfindung liegt dabei auch darin, dass die Heizung mit einer auf dem Substrat 8 liegenden Zuleitung wesentlich einfacher herstellbar ist als die dem bisherigen Stand der Technik entsprechenden Haarnadeln 52. Trotz des höheren Temperaturverlustes auf das Substrat 8 ist es mit der erfindungsgemäßen Ausbildung einer Heizung noch leicht möglich, Temperaturen an. der Emitterspitze 4 von über 1000 Grad Celsius zu erzeugen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Feldemission von Teilchen für teilchenopti- sehe Geräte wie insbesondere Elektronen- oder Ionenmikroskope, mit wenigstens einem in einem Vakuumraum (2) angeordneten bzw. in einen Vakuumraum (2) zeigenden Teilchenemitter (3) mit wenigstens einer Feldemitterspitze (4) zur Emission der Teilchen, und mit einem dem wenigstens einen Teilchenemitter (3) zugeordneten Magnetfelderzeuger (6) zur Fokussierung des emittierten Teilchenstroms (5), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Teilchenemitter (3) mit seiner Feldemitterspitze (4) durch auf bzw. in der Oberfläche (7) auf der dem Magnetfelderzeuger (6) abgewandten Seite eines Substrates (8) gefertigte Emitterstrukturen (9) ausgebildet ist, und das Substrat (8) als Trennwandung zwischen dem Vakuumraum (2) und dem außerhalb des Vakuumraumes (2) liegenden Atmosphärenraum (10) ausgebildet ist, und der Magnetfelderzeuger (6) außerhalb des Vakuumraums (2) auf der den Emitterstrukturen (9) abgewandten Seite (14) des Substrates (8) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (7) des Substrates (8) zumindest an der den Mi- krostrukturen (11) zugewandten Seite elektrisch isolierend ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf bzw. in der Oberfläche (7) des Substrates (8) gefer- tigten Emitterstrukturen (9) mikromechanische Dimensionen besitzen, und die Feldemitterspitzen (4) einen Krümmungsradius (r) besitzen, der kleiner ist als 50 nm, und insbesondere kleiner ist als 20 nm, bevorzugt kleiner ist als 10 nm, und weiterhin bevorzugt kleiner ist als 5 nm.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsbereich des von dem Magnetfelderzeuger (6) zur Fokussierung des emittierten Teil- chenstroms (5) erzeugten Magnetfeldes kleiner ist als etwa 10 mm, bevorzugt kleiner ist als etwa 3 mm, und insbesondere kleiner ist als etwa 1 mm, wobei der Magnetfelderzeuger (6) ein Magnetfeld erzeugt, das zumindest zum großen Teil am Ort der Feldemitterspitze (4) im wesentlichen senkrecht auf der Oberfläche der Extraktionsstrukturen (9) ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Quellgröße des Teilchenemitters (3) kleiner ist als 100 nm2 , und insbesondere kleiner ist als 10 nm2, und weiterhin vorzugsweise kleiner ist
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsfläche für die Teil- chenemission kleiner ist als 100 nm2 , und insbesondere kleiner ist als 25 nm2 , und bevorzugt insbesondere kleiner ist als 10 nm2 , und weiterhin insbesondere bevorzugt kleiner ist als 1
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldemitterspitze (4) aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien gefertigt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ■ die Feldemitterspitze (4 ) insbesondere eine Basisstruktur (15) aus einem metallhaltigen Material und eine weitere Schichtstruktur (16) mit einem Kohlenstoffanteil oder einem anderen die teilchenemission begünstigenden Stoffanteil aufweist, wobei die wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien durch Elektronenstrahldeposition auf dem Substrat (8) abgeschieden und/oder durch Aufdampfen bzw. Aufsputtern des Materials auf das Substrat (8) bzw. die Basis- oder Schichtstruktur gefertigt sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldemitterspitze (4) aus einemO paramagnetischen Material oder einem vergleichbaren Material gefertigt ist, welches die Magnetfeldstärke am Ort der Teilchenemission vergrößert.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da-5 durch gekennzeichnet, dass die Feldemitterspitze (4) aus einem ferromagnetischen Material oder einem vergleichbaren Material gefertigt ist, welches die Magnetfeldstärke am Ort der Elektronenemission vergrößert.
0 11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (8) aus einem para-, ferro-, oder permanentmagnetmagnetischem Material hergestellt ist, und lediglich an der Oberfläche (7) eine dünne isolierende Schicht mit den darauf befindlichen Mikrostrukturen (11)5 aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchenemittervorrichtung (1) einen Richtstrahlwert von größer als 1000 A/ (cm2 sr V), und insbesondere größer als 5000 A/ (cm2 sr V), und insbesondere größer als 10.000 A/ (cm2 sr V) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass sich wenigstens ein Teil der auf bzw. in der Oberfläche (7) auf der dem Magnetfelderzeuger (6) abgewandten Seite des Substrates (8) ausgebildeten leitfähigen Schichten (9) der Mikrostrukturen (11) über den vom Vakuumraum (2) und den Isolatoren (12) eingenommenen Bereich bis an die der Umgebungsatmosphäre zugewandten Bereich erstrecken, wobei diese leitfähigen Schichten (9) der Mikrostrukturen (11) elektrisch leitfähige Flächen (20) zur elektrischen Kontaktie- rung bilden.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dünnen leitfähigen Schichten (11) und der eine oder die mehreren Feldemitterspitzen (4) zusammen die Teilchenemitter (3) darstellen, und diese vermittels teilchenstrahllithographischer Verfahrensschritte erzeugt wurden.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldemitterspitze (4) vermittels T-eilchenstrahldeposition erzeugt ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldemitterspitze (4) auf einer Emitterleiterbahn (18) erzeugt ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der dünnen leitfähigen Schichten (11) die Extraktorelektroden und/oder andere teilchenoptische Einrichtungen wie zum Beispiel elektrostatische Fokussierlinsen und/oder Stigmatoren bilden.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (8) eine Stärke von vorzugsweise 0,3 mm oder mehr besitzt, um der zwischen dem Va- kuumraum (2) und Atmosphärenraum herrschenden Druckdifferenz standzuhalten.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Atmosphärenraum durch geeignete technische Einrichtungen vermindert wird und das Substrat (8) eine Stärke von vorzugsweise 1 mm oder weniger besitzt.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Dicke der leitfähigen Schichten der Mikrostrukturen (11) vorzugsweise etwa 100 nm beträgt, und ihre Breite je nach den teilchenoptischen Erfordernissen zwischen 0,1 μm und mehreren mm breit ist, und die Feldemitterspitze (4) höher als 0,1 μm, bevorzugt höher als 1 μm, und an der Basis weniger als 1 μm breit ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger (6) aus einem Permanentmagneten von höchstens wenigen mm Abmessungen be- steht, und das vom Magnetfelderzeuger (6) generierte Magnetfeld sich nicht wesentlich weiter als höchstens wenige mm in den Vakuumraum (2) hinein auswirkt.
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger (6) aus einem Permanentmagneten und/oder einer oder mehrerer Spulen besteht, wobei die Spulen zur Feineinstellung und räumlichen Justierung des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes dienen.
23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet aus einem geeignet geformten und magnetisierten permanentmagnetischen Material, wie insbesondere CoSm oder NdFeB besteht, und/oder der Magnetfelderzeuger (6) eine Spule aus supraleitendem Material aufweist .
24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (8) eine Vielzahl gleichartiger Teilchenemitter (3) mit miniaturisierten Fokus- sier- und/oder weiteren teilchenoptischen Komponenten auf engem Raum nebeneinander ausgebildet sind.
25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die miniaturisierte Feldemitterspitze (4) beheizbar ausgebildet ist, und auf dem Substrat (8) für die Heizung der Feldemitterspitze (4) durch elektrischen Stromfluß eine Zuleitungsleiterbahn ausgebildet ist.
26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (8) und/oder der Teilchenemitter (3) durch eine entsprechende externe Vorrichtung gekühlt ist
27. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der die magnetische Immersionslinse erzeugende Magnetfelderzeuger außerhalb des Vakuumraumes (2) angeordnet ist.
28. Verfahren zur Herstellung eines Teilchenemitters zur FeId- emission von Teilchen für teilchenoptische Geräte wie insbesondere Elektronen- oder Ionenmikroskope, mit wenigstens einem
- in einem Vakuumraum angeordneten bzw. in einen Vakuumraum zeigenden Teilchenemitter mit wenigstens einer Feldemitterspitze zur Abstrahlung von Teilchen, und einer dem wenigstens einen Teilchenemitter zugeordneten Magnetfelderzeuger zur Fokussie- rung des emittierten Teilchenstroms, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Teilchenemitter (3) mit seiner Feldemitterspitze (4) durch auf bzw. in der Oberfläche (7) auf der dem Magnetfelderzeuger (6) abgewandten Seite eines Substrates (8) gefertigte Emitterstrukturen (9) ausgebildet wird, und das Substrat (8) als Trennwandung zwischen dem Vakuumraum (2) und dem außerhalb des Vakuumraumes (2) liegenden Atmosphärenraum (10) dient, und der Magnetfelderzeuger (6) außerhalb des Vakuumraums (2) auf der den Emitterstrukturen (9) abgewandten Seite (14) des Substrates (8) angeordnet wird.
29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf bzw. in der Oberfläche (7) des
Substrates (8) gefertigten Emitterstrukturen (9) mikromechanische Dimensionen besitzen dergestalt, dass der Krümmungsradius (r) der Feldemitterspitze (4) kleiner ist als 50 nm, und insbesondere kleiner ist als 20 nm, bevorzugt kleiner ist als 10 nm, und weiterhin bevorzugt kleiner ist als 5 nm.
30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Reichweite des von dem Magnetfelderzeuger (6) zur Fokussierung des emittierten Teilchen- Stroms (5) erzeugten Magnetfeldes kleiner ist als etwa 10 mm, und insbesondere kleiner ist als etwa 1 mm, wobei der Magnetfelderzeuger (6) ein Magnetfeld erzeugt, das zumindest zum großen Teil am Ort der Feldemitterspitze (4) im wesentlichen senkrecht auf der Oberfläche der Extraktionsstrukturen (9) ist.
31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldemitterspitze (4) aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien gefertigt ist, und hierbei insbesondere eine Basisstruktur (15) aus einem metallhaltigen Material und eine weitere Schichtstruktur (16) mit einem Koh- lenstoffanteil aufweist, wobei die wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien durch Elektronenstrahldeposition auf dem Substrat (8) abgeschieden und/oder durch Aufdampfen des Materials auf das Substrat (8) bzw. die Basis- oder Schichtstruktur gefertigt sind.
32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ''O gekennzeichnet, dass die Emitterspitze aus einem paramagnetischen Material oder einem vergleichbaren Material gefertigt ist, welches die Magnetfeldstärke am Ort der Elektronenemission vergrößert.
15 33. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterspitze aus einem ferromagneti- schen Material oder einem vergleichbaren Material gefertigt werden, welches die Magnetfeldstärke am Ort der Elektronenemission vergrößert.
34. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem para-, ferro-, oder permanentmagnetmagnetischem Material hergestellt wird, und lediglich eine dünne isolierende Schicht mit den darauf 5 befindlichen Emitterstrukturen aufweist.
35. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der auf bzw. in der Oberfläche (7) auf der dem Magnetfelderzeuger (6) abgewandten Seite des Substrates (8) ausgebildeten leitfähigen Schichten (9) der Mikrostrukturen (11) über den vom Vakuumraum (2) und den Isolatoren (12) eingenommenen Bereich bis an die der Umgebungsatmosphäre zugewandten Bereich ausgebildet wird, wobei diese leitfähigen Schichten (9) der Mikrostrukturen (11) elektrisch leitfähige Flächen (17) zur elektrischen Kontaktierung bilden.
36. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dünnen leitfähigen Schichten und der eine oder die mehreren Teilchenemitter zusammen die Extraktionsstrukturen darstellen, und diese vermittels Teilchenstrahl- lithographischer Methoden erzeugt wurden.
37. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchenemitter-Spitze auf der Emitterleiterbahn vermittels Teilchenstrahldeposition gefertigt wird.
38. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der dünnen leitfähigen Schichten die Extraktorelektroden und/oder andere teilchenoptische Einrichtungen wie zum Beispiel elektrostatische Fokussierlinsen und/oder Stigmatoren bilden.
39. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der leitfähigen Schichten der Mikrostrukturen vorzugsweise etwa 100 nm beträgt, und ihre Breite je nach den teilchenoptischen Erfordernissen zwischen 1 μm und mehreren mm breit ist, und die Emissionsspitze 10 etwa 1 μm hoch und an der Basis weniger als 1 μm breit ist.
40. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger aus einem Perma- nentmagneten und einer oder mehrerer Spulen besteht, wobei die Spulen zur Feineinstellung und/oder räumlichen Justierung des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes dienen.
41. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet aus einem geeignet geformten und magnetisierten permanentmagnetischen Material, wie insbesondere CoSm oder NdFeB besteht, und der Magnetfelderzeuger eine Spule aus supraleitendem Material aufweist.
42. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat eine Vielzahl gleichartiger Emitter mit miniaturisierten Fokussier- und/oder Detektoreinrichtungen auf engem Raum nebeneinander ausgebildet sind.
43. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die miniaturisierte Emitterspitze beheizbar ausgebildet ist, und auf dem Substrat für die Heizung der Emitterspitze durch elektrischen Stromfluß eine Zuleitungslei- terbahn ausgebildet ist.
44. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat und/oder der Teilchenemitter durch eine externe Vorrichtung gekühlt wird.
45. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Immersionslinse außerhalb des Teilchenemitter-Vakuums angeordnet wird.
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