WO2008104394A1 - Method for producing a particle radiation source - Google Patents

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Definitions

  • the present invention has for its object to provide a simpler method for producing a particle beam source, which allows the production of particle-beam-deposited tips, without producing this low-conductivity layer on the surrounding insulator surfaces, and without having the disadvantages just described.
  • FIGS. 2 a to 2 c show a further preferred exemplary embodiment produced by the method according to the invention.
  • FIGs. Ia to If A preferred embodiment for a particle beam source produced by the described method is shown in Figs. Ia to If.
  • the surface layers 3, 4 may consist of one or more superimposed layers.
  • One of these surface layers preferably a narrow (preferably narrower than 1 ⁇ m) metallic or other conductive web 4 of small height (preferably less than 1 ⁇ m) serves as a base for depositing one or more field emitter tips 8 and is of suitable geometry for this purpose (Fig. Ib: greatly enlarged section of the surface of Fig. Ia). Further adjacent, separated by an insulator surface paths or other geometric shapes of metal serve as additional electrodes for extraction, focusing, or shaping of the particle beam. These electrodes are preferably by means of known lithographic methods such. B. electron beam lithography produced.
  • the conductive surface layers 3 and 4 or other conductive tracks Structures are on a flat insulator, e.g. As silica, applied.
  • Layer 6 which may also consist of several layers, applied to the surface thus formed (eg, by means of directional vapor deposition) that substantially only the surfaces parallel to the first surface layer are covered with it.
  • An advantageous feature of this structure is that the regions 5 which lie closest to the web 4 can for the most part not be struck by the scattered particle beam 10 from the particle beam deposition of the field emitter tip 8 with the primary particle beam 9 and thus the formation a conductive layer that would destroy the insulating power does not take place.
  • the Railchenstrahldeposition can also be supported by suitable electric fields which can be generated via the conductive surface layers 3 and / or webs 4, and the slow secondary particles from the aforementioned process from the areas of the insulator surface 5 or 7 keep away. This is also the essential difference from the method shown in DE 69116859T2, in which the field emitter tip, if it were to be produced by electron beam deposition, would significantly reduce the insulation strength of the insulator regions.
  • FIG. 2a shows a greatly enlarged top view of a possible preferred embodiment.
  • a bulge or sharp corner of the conductive surface with a length preferably greater than 1 ⁇ m serves as foot point 11 for the particle beam deposition of the field emitter tip 8.

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Abstract

The invention relates to a method for producing a micromechanical particle radiation source that comprises at least one field emission tip for emitting particles, said method comprising the following steps: at least one surface layer of an electrically semi-conductive or electrically conductive material is applied to the surface (2) of a substrate; the at least one surface layer applied to the substrate (1) is textured in such a way that a path is produced which is as narrow as possible and has a low height; uncovered areas of the electrically insulating substrate surface, which are disposed between the paths, are partially removed such that the covering of the areas of the newly formed electrically insulating substrate surface is prevented by the superimposed surface layers (3, 4); a further conductive layer (6) is applied to the thus obtained surface; and the field emission tip is applied to the narrow path so that the field emission tip (8) is exactly positioned with an accuracy of a few nanometers in the center of the optical axis of the micromechanical particle radiation source.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Teilchenstrahlquelle Method for producing a particle beam source
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Teilchenstrahlquelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Teilchenstrahlquelle zur Abstrahlung eines Elektronenstrahls für elektronenoptische Geräte, wie zum Beispiel Rasterelektronenmikroskope für die Untersuchung der Oberflächenstruktur oder auch für Mikrosonden für die Materialuntersuchung durch Elektronenstrahlanregung, bei denen der Durchmesser des Elektronenstrahls auf der Proben- Oberfläche (Sondenstrom) in Kombination mit der Sondenstromstärke eine für das Auflösungsvermögen des Geräts entscheidende Größe darstellt.The invention relates to a method for producing a particle beam source according to the preamble of claim 1. In particular, the invention relates to a particle beam source for emitting an electron beam for electron-optical devices, such as scanning electron microscopes for the investigation of the surface structure or micro-probes for the material investigation by electron beam excitation where the diameter of the electron beam on the sample surface (probe current) in combination with the probe current strength is a parameter that determines the resolution of the device.
Eine derartige Teilchenstrahlquelle hat insbesondere eine sehr kleine Teilchenemissionsoberfläche („virtuelle Quellgröße") und wird mittels MEMS- (Micro-Elektro-Mechanical-Systems-) und na- notechnologischen Methoden hergestellt. Insbesondere wird die Emitterspitze mittels teilchenstrahlinduzierter Deposition (auch Teilchenstrahldeposition genannt), z. B. elektronenstrah- linduzierter Deposition, hergestellt, was kontrolliertes Erzeu- gen von dreidimensionalen Strukturen mit einer Präzision von wenigen Nanometern ermöglicht. Ein Problem bei der Herstellung von Emitterspitzen mittels Teilchenstrahldeposition liegt darin, dass die Teilchen (z. B. Elektronen oder Ionen) beim Auftreffen auf Material während der Depositionsphase gestreut (in ihrer Flugrichtung verändert) werden und an sekundären Flächen (z. B. Isolatoroberflächen) weitere unbeabsichtigte Teilchenstrahldeposition bewirken. Insbesondere bei Elektronenstrahld- eposition liegt ein Problem darin, dass die Elektronen aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit die entstehende Emitterspitze und weitere Materialschichten durchschlagen und auch noch im Material gestreut werden. Diese gestreuten Elektronen finden sich in einem Bereich um die so hergestellte Emitterspitze, welcher sich mehrere Mikrometer um die Spitze herum ausdehnt. In diesem Bereich erfolgt daher weitere unbeabsichtigte Teilchenstrahld- eposition mit geringerer Dosis. Als Folge entsteht in diesem Bereich eine dünne, gering leitfähige Lage von weiterem deponierten Material. Diese Lage bewirkt, dass die Isolatoroberflä- chen in diesem Bereich für den Betrieb der Teilchenstrahlquelle anzulegenden elektrischen Spannungen eine unzureichende Isolationsfähigkeit besitzen. Die unzureichende Spannungsfestigkeit führt im Laufe des Emitterbetriebs zur Zerstörung der Strukturen. Es sind Methoden bekannt, um die Spannungsfestigkeit der Isolationsstrecke zu erhöhen. Dazu gehört thermisches Ausheizen (K. Murakami, N. Yamasaki, S. Abo, F. Wakaya, and M. Takai: „Effect of thermal annealing on emission characteristics of nanoelectron source fabrication using beam-assisted process", J. Vac. Sei. Technol. B23, no . 2 (2005), 759 - 761), oder das Zurücksetzen der Isolatoroberfläche auf eine größere Entfernung vom Ort der Elektronenstrahldeposition (S. Bauerdick, C. Burk- hardt, D. P. Kern, and W. Nisch: „Addressable field emitter ar- ray: A tool for designing field emitters and a multibeam elect- ron source", J. Vac. Sei. Technol. B22, no . 6 (2004), 3539 - 3542). Beide vorbekannten Methoden haben Nachteile, wie z. B. zusätzliche Prozessschritte, nicht ausreichende Effizienz der zusätzlichen Prozessschritte, Bedarf für ein komplexeres mehrschichtiges Ausgangssubstrat, oder eine mechanische Schwächung der Struktur durch die Zurückverlegung der Isolatorschicht.In particular, such a particle beam source has a very small particle emission surface ("virtual source size") and is produced by means of MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) and nanotechnological methods, in particular the emitter tip is determined by particle beam induced deposition (also called particle beam deposition). For example, electron beam-induced deposition, which allows controlled generation of three-dimensional structures with a precision of a few nanometers, is a problem in the production of emitter tips by means of particle beam deposition in that the particles (eg, electrons or ions ) are scattered (changed in their direction of flight) upon impact with material during the deposition phase and cause further unintentional particle beam deposition on secondary surfaces (eg insulator surfaces) .Particularly in the case of electron beam deposition, there is a problem that the electrons Due to their high speed, the resulting emitter tip and other material layers penetrate and are also scattered in the material. These scattered electrons are found in an area around the emitter tip thus produced, which extends several microns around the tip. In this Therefore, further unintentional Teilchenstrahld- eposition with a lower dose. As a result, a thin, slightly conductive layer of further deposited material is formed in this area. This situation has the effect that the insulator surfaces in this area have insufficient insulation capability for the electrical voltages to be applied to the operation of the particle beam source. The insufficient dielectric strength leads to the destruction of the structures in the course of emitter operation. There are known methods to increase the dielectric strength of the insulation gap. This includes thermal annealing (K. Murakami, N. Yamasaki, S. Abo, F. Wakaya, and M. Takai: "Effect of thermal annealing on emission characteristics of nanoelectron source fabrication using beam-assisted process", J. Vac Technol. B23, no. 2 (2005), 759-761), or the resetting of the insulator surface to a greater distance from the location of the electron beam deposition (S. Bauerdick, C. Burkhardt, DP Kern, and W. Nisch: " Addressable field emitter ar- ray: A tool for designing field emitters and a multibeam electronon source ", J. Vac.So., Technol. B22, no. 6 (2004), 3539-3542). Both previously known methods have disadvantages, such. Additional process steps, insufficient efficiency of the additional process steps, need for a more complex multilayer starting substrate, or a mechanical weakening of the structure by the relocation of the insulator layer.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfacheres Verfahren zur Herstellung einer Teilchenstrahlquelle anzugeben, das die Fertigung von teilchenstrahldeponierten Spitzen ermöglicht, ohne diese gering leitfähige Schicht auf den umliegenden Isolatoroberflächen zu erzeugen, und ohne die soeben beschriebenen Nachteile dafür aufzuweisen.The present invention has for its object to provide a simpler method for producing a particle beam source, which allows the production of particle-beam-deposited tips, without producing this low-conductivity layer on the surrounding insulator surfaces, and without having the disadvantages just described.
Die Lösung der Aufgabe gelingt mit dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Teilchenstrahlquelle, welche eine Feldemitterspitze zur Abstrahlung von Teilchen aufweist, umfasst die folgenden Schritte:The solution of the problem is achieved by the method specified in claim 1. The method according to the invention for producing a micromechanical particle beam source which has a field emission tip for the emission of particles comprises the following steps:
- Aufbringen mindestens einer ersten Oberflächenlage aus einem elektrisch halbleitenden oder leitenden Material auf die Oberfläche eines Substrates, wobei das Substrat zumindest auf der Oberfläche elektrisch isolierend ist,Applying at least one first surface layer of an electrically semiconductive or conductive material to the surface of a substrate, wherein the substrate is electrically insulating at least on the surface,
- Strukturieren der mindestens einen auf das Substrat aufge- brachten ersten Oberflächenlage dergestalt, dass eine oder mehrere, möglichst schmale, d.h. schmaler als etwa 1 μm, elektrisch leitfähige Bahnen von geringer Höhe, d.h. wiederum geringer als etwa 1 μm, gefertigt wird, wobei die Bahnen als Unterlage für das spätere Deponieren einer Feldemitterspitze die- nen, und dass eine oder mehrere weitere elektrisch leitfähige Strukturen, die untereinander und von diesen Bahnen elektrisch isoliert sind, ebenfalls auf der Oberflächenlage entstehen,Patterning the at least one first surface layer applied to the substrate in such a way that one or more, as narrow as possible, i. narrower than about 1 micron, low profile electrically conductive paths, i. again less than about 1 micron, the webs serving as a support for later depositing a field emitter tip, and one or more further electroconductive structures electrically insulated from each other and from these webs also arise on the surface layer .
- teilweises Abtragen von zwischen den Bahnen und Oberflächenstrukturen liegenden, freiliegenden Bereichen der elektrisch isolierenden Substratoberfläche dergestalt, dass die entstehenden neuen elektrisch isolierenden Substratoberflächen beim folgenden Aufbringen einer weiteren leitfähigen Lage nicht komplett bedeckt werden, sondern dass die Bedeckung wesentlicher Bereiche der neu entstandenen elektrisch isolierenden Substrat- Oberfläche durch die darüber liegenden Oberflächenlagen verhindert wird,partial removal of exposed areas of the electrically insulating substrate surface lying between the webs and surface structures in such a way that the resulting new electrically insulating substrate surfaces are not completely covered during the subsequent application of a further conductive layer, but the coverage of substantial areas of the newly formed electrically insulating substrate - Surface is prevented by the overlying surface layers,
- Aufbringen einer weiteren leitfähige Lage auf die so entstandene Oberfläche derart, dass im wesentlichen nur die der ersten Oberflächenlage parallelen Flächen damit bedeckt werden,Applying a further conductive layer to the resulting surface such that essentially only the surfaces parallel to the first surface layer are covered with it,
- Aufbringen der Feldemitterspitze auf die schmale Bahn und hierbei exakte Positionierung der Feldemitterspitze mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometer im Zentrum der optischen Achse der mikromechanischen Teilchenstrahlquelle.Applying the field emitter tip to the narrow path and thereby exact positioning of the field emitter tip with a Accuracy of a few nanometers in the center of the optical axis of the micromechanical particle beam source.
Dem Prinzip der Erfindung folgend kann vorgesehen sein, dass die ersten leitfähigen Lagen unterätzt werden, insbesondere vermittels einem isotropen, vorzugsweise nasschemischen Ätzschritt .Following the principle of the invention it can be provided that the first conductive layers are undercut, in particular by means of an isotropic, preferably wet-chemical etching step.
In einem weiteren Schritt erfolgt die Prozessierung des so hergestellten Substrates mittels eines reaktiven isotropen Prozesses, z. B. mittels der Anwendung eines Sauerstoffplasmas, zur teilweisen oder gänzlichen Entfernung und/oder Modifikation der Zusammensetzung verbliebenen Materials aus unbeabsichtigter Teilchenstrahldeposition.In a further step, the processing of the substrate thus produced by means of a reactive isotropic process, z. Example, by the use of an oxygen plasma, for the partial or total removal and / or modification of the composition remaining material from unintentional Teilchenstrahldeposition.
Diese Verfahrensschritte vermeiden die Ursache der Ausbildung von elektrisch gering leitfähigen Schichten während der Teil- chenstrahldeposition der Feldemitterspitze, die in der Streuung von Elektronen auf Isolatoroberflächen während der Teilchenstrahldeposition und der dortigen „parasitären" Teilchenstrahldeposition beruht.These method steps avoid the cause of the formation of electrically low-conductivity layers during the particle beam deposition of the field emitter tip, which is due to the scattering of electrons on insulator surfaces during the particle beam deposition and the "parasitic" particle beam deposition there.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt die Herstellung von Feldemitterspitzen mittels Teilchenstrahldeposition, ohne die bei Teilchenstrahldeposition, insbesondere Elektronenstrahld- eposition üblichen schwach leitfähigen Schichten zwischen den untereinander isolierten Elektroden zu verursachen. Gleichzeitig hat der von diesen Feldemitterspitzen emittierte Teilchen- strahl wegen der hohen Positioniergenauigkeit der Feldemitterspitze nur minimale Strahlaberrationen.With the method according to the invention, it is possible to produce field emitter tips by means of particle beam deposition, without causing the weakly conductive layers customary in particle beam deposition, in particular electron beam deposition, between the electrodes which are insulated from one another. At the same time, the particle beam emitted by these field emitter tips has only minimal beam aberrations because of the high positioning accuracy of the field emitter tip.
Mit einem abgewandelten Verfahren, bei dem an Stelle der die Feldemitterspitze tragenden Bahn eine wesentlich leichter herzustellende Kante einer geeignet strukturierten Metallfläche als Träger der Feldemitterspitze dient, gelingt die einfacheWith a modified method in which instead of the field emitter tip carrying web serves a much easier to produce edge of a suitably structured metal surface as a carrier of the field emitter tip succeeds the simple
Herstellung von Teilchenemittern, bei denen Teilchenstrahlaber- rationen und -abstrahlwinkel von untergeordneter Bedeutung sind.Production of particle emitters in which particle beam rations and radiation angles are of secondary importance.
Ein Vorteil des beschriebenen Herstellungsverfahrens liegt in der Erhaltung der Spannungsfestigkeit der Strukturen nach einer Elektronenstrahldeposition. Voneinander elektrisch isolierte Strukturen, die z. B. zum Anlegen der Extraktionsspannung dienen, zeigen auch nach der Elektronenstrahldeposition der Emit- terspitze unverändert hohe Spannungsfestigkeit. Dies ist wesentliche Voraussetzung für den Betrieb der Teilchenemitter.An advantage of the described manufacturing method is the maintenance of the dielectric strength of the structures after electron beam deposition. From each other electrically isolated structures z. B. serve for applying the extraction voltage, even after the electron beam deposition of the emitter titer unaltered high dielectric strength. This is essential for the operation of the particle emitter.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Teilchenstrahlquellen liegt darin, dass keine Isolatoroberflächen in Richtung des Vakuumraums zeigen, in dem die Teilchenstrahlen vorhanden sind. Dies erhöht die Stabilität der Emissionsrichtung des Teilchenstrahls, da sich die Isolatoroberflächen nicht aufladen können und sich somit die elektrischen Felder nicht unbeabsichtigt ändern.Another significant advantage of the particle beam sources produced by the method according to the invention is that no insulator surfaces in the direction of the vacuum space, in which the particle beams are present. This increases the stability of the emission direction of the particle beam, since the insulator surfaces can not charge and thus the electric fields do not change unintentionally.
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung einer Teilchenstrahlquelle in miniaturisierter Form, welche eine mit Teilchen- strahldeposition hergestellte Emitterspitze beinhaltet. Derar- tige Emitterspitzen ermöglichen Elektronenmikroskopie mit der höchsten Auflösung. Durch die Miniaturisierung können diese Teilchenstrahlquellen mit geringer Spannung betrieben werden (z. B._als Elektronenstrahlquellen mit 100 V, im Gegensatz zu konventionellen, die mit mehreren 1000 V betrieben werden) , was eine Vielzahl weiterer Vorteile bietet.The invention makes it possible to produce a particle beam source in miniaturized form, which contains an emitter tip produced with particle radiation deposition. Such emitter tips enable electron microscopy with the highest resolution. Miniaturization allows these particle beam sources to operate at low voltage (eg, as 100V electron beam sources, as opposed to conventional ones operating at several 1000V), which offers a variety of other advantages.
Das Herstellungsverfahren der Feldemissionsspitze mit Teilchen- strahldeposition hat den weiteren Vorteil, dass die Feldemitterspitze bis auf wenige Nanometer exakt positioniert werden kann. Dadurch ist es möglich, die Feldemitterspitze exakt im Zentrum der elektronenoptischen Achse zu positionieren und davon herrührende Abbildungsfehler zu vermeiden. Dies unterscheidet dieses hier beschriebene Verfahren von anderen Verfahren (z. B. Abscheidung von carbon nanotubes als Feldemitter), die wegen der mangelnden Positionierfähigkeit große Aberrationen in der elektronenoptischen Auslegung erzeugen.The production method of the field emission tip with particle radiation deposition has the further advantage that the field emission peak can be exactly positioned down to a few nanometers. This makes it possible to position the field emitter tip exactly in the center of the electron-optical axis and to avoid aberrations resulting therefrom. This distinguishes this method described here from other methods (eg deposition of carbon nanotubes as a field emitter), the because of the lack of positioning ability produce large aberrations in the electron-optical design.
In Weiterführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der durch die Emitter-Leiterbahnen induzierte Astigmatismus des Strahls durch geeignete Emitterflächengeometrie minimiert oder sogar eliminiert wird. Durch die Emitter-Leiterbahn und Zuführungs- Leiterbahnen weist der emittierte Teilchenstrahl Astigmatismus auf. Abhilfe schafft ein entsprechendes Layout der eigentlichen Extraktoren-Flächen, die diesen Geometrie-induzierten Astigma- tismus korrigieren können. Dies ist möglich, weil die denIn a continuation of the invention, it is provided that the astigmatism of the beam induced by the emitter tracks is minimized or even eliminated by suitable emitter area geometry. The emitted particle beam has astigmatism due to the emitter conductor track and the feed track. A corresponding layout of the actual extractor surfaces, which can correct this geometry-induced astigmatism, remedies this problem. This is possible because the
Astigmatismus verursachenden Geometrien bekannt und deren Auswirkungen berechenbar und zeitlich konstant sind. Dadurch kann eine Anpassung der Extraktionsgeometrie im Layout schon berücksichtigt werden. Werden magnetische Elemente eingesetzt, bewir- ken diese eine Rotation des emittierten Strahls um die Strahlachse. Diese Rotation ist in die Berechnungen einzubeziehen.Known astigmatism-inducing geometries and their effects are predictable and constant over time. This allows an adaptation of the extraction geometry in the layout already taken into account. If magnetic elements are used, they cause a rotation of the emitted beam about the beam axis. This rotation is to be included in the calculations.
Wenn in Weiterführung der Erfindung mit einem weiteren Unter- ätz-Schritt die Extraktionsstruktur unterätzt wird, so kann ein Leckstrom verhindert werden, der durch auf die Extraktionsstruktur im Spalt gestreute Primärelektronen erzeugt werden würde .If, in a continuation of the invention with a further lower etching step, the extraction structure is undercut, a leakage current can be prevented which would be generated by primary electrons scattered on the extraction structure in the gap.
Bei einer weiterhin bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass während der Teilchenstrahldeposition an die voneinander elek- trisch isolierten Lagen unterschiedliche elektrische Spannungen angelegt werden. Auf diese Weise gelingt es, gestreute Primärelektronen günstig zu beinflussen bzw. in ihrer Richtung zu steuern.In a further preferred embodiment, provision is made for different electrical voltages to be applied to the mutually electrically insulated layers during particle beam deposition. In this way, it is possible to favorably influence scattered primary electrons or to control them in their direction.
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:Preferred developments of the invention are specified in the further subclaims. Further advantages, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. It shows:
Figuren Ia bis If die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur Herstellung einer Teilchenstrahlquelle nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;Figures Ia to If the process steps of the invention for producing a particle beam source according to a preferred embodiment of the invention;
Figuren 2a bis 2c ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren her- gestelltes weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel.FIGS. 2 a to 2 c show a further preferred exemplary embodiment produced by the method according to the invention.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine mit dem beschriebenen Verfahren hergestellte Teilchenstrahlquelle ist in den Fig. Ia bis If gezeigt. Ein vorzugsweise aus einem Isolatorma- terial wie Glas, SiO2, Quarz, Keramik, oder ähnlich, oder auch aus einem Halbleitermaterial wie Si, GaAs, InP oder dergleichen bestehendes und zumindest an seiner Oberfläche 2 elektrisch isolierendes Substrat 1 ist mit elektrisch leitfähigen Oberflächenlagen 3 und 4, die untereinander elektrisch isoliert sind, bedeckt (Fig. Ia, nicht maßstäblich) . Die Oberflächenlagen 3, 4 können aus einer oder mehreren übereinander liegenden Schichten bestehen. Eine dieser Oberflächenlagen, bevorzugt eine möglichst schmale (bevorzugt schmaler als 1 μm) metallische oder sonstige leitfähige Bahn 4 von geringer Höhe (bevorzugt gerin- ger als 1 μm) dient als Unterlage für das Deponieren einer oder mehrerer Feldemitterspitzen 8 und ist von dafür geeigneter Geometrie (Fig. Ib: stark vergrößerter Ausschnitt der Oberfläche aus Fig. Ia). Weitere daneben, durch eine Isolatoroberfläche getrennte Bahnen oder andere geometrische Formen von Metall dienen als zusätzliche Elektroden zur Extraktion, Fokussierung, oder Formung des Teilchenstrahls. Bevorzugt werden diese Elektroden mittels- an sich bekannter lithografischer Methoden wie z. B. Elektronenstrahllithografie hergestellt. Die leitfähigen Oberflächenlagen 3 und Bahnen 4 oder sonstigen leitfähigen Strukturen sind auf einem ebenen Isolator, z. B. Siliziumdioxid, aufgebracht.A preferred embodiment for a particle beam source produced by the described method is shown in Figs. Ia to If. A preferably of an insulator material such as glass, SiO 2 , quartz, ceramic, or the like, or of a semiconductor material such as Si, GaAs, InP or the like existing and at least on its surface 2 electrically insulating substrate 1 is electrically conductive surface layers. 3 and 4, which are electrically isolated from each other, covered (Figure la, not to scale). The surface layers 3, 4 may consist of one or more superimposed layers. One of these surface layers, preferably a narrow (preferably narrower than 1 μm) metallic or other conductive web 4 of small height (preferably less than 1 μm) serves as a base for depositing one or more field emitter tips 8 and is of suitable geometry for this purpose (Fig. Ib: greatly enlarged section of the surface of Fig. Ia). Further adjacent, separated by an insulator surface paths or other geometric shapes of metal serve as additional electrodes for extraction, focusing, or shaping of the particle beam. These electrodes are preferably by means of known lithographic methods such. B. electron beam lithography produced. The conductive surface layers 3 and 4 or other conductive tracks Structures are on a flat insulator, e.g. As silica, applied.
In einem weiteren Herstellungsschritt (Fig. Ic) wird die zwischen den Strukturen der Oberflächenlage 3 und/oder der Bahnen 4 freiliegende Isolatoroberfläche 2 abgetragen, z. B. durch selektives chemisches Ätzen in Flüssig- oder Gasphase oder eine andere geeignete Methode. Dabei sind die Prozessparameter so zu wählen, dass die entstehenden neuen Isolatoroberflächen beim folgenden Aufbringen einer weiteren leitfähigen Lage nicht kom- plett bedeckt werden, sondern dass die Bedeckung der Bereiche 5 der neu entstandenen Isolatoroberfläche durch die darüber liegende Oberflächenlagen 3 und/oder Bahnen 4 verhindert wird. Bevorzugt werden die ersten leitfähigen Oberflächenlagen 3 und/oder Bahnen 4 unterätzt (z. B. durch isotropes Ätzen) .In a further production step (FIG. 1 c), the insulator surface 2 exposed between the structures of the surface layer 3 and / or the webs 4 is removed, for B. by selective chemical etching in the liquid or gas phase or another suitable method. In this case, the process parameters are to be selected such that the resulting new insulator surfaces are not completely covered during the subsequent application of a further conductive layer, but that the covering of the regions 5 of the newly formed insulator surface is prevented by the overlying surface layers 3 and / or webs 4 becomes. The first conductive surface layers 3 and / or webs 4 are preferably undercut (eg by isotropic etching).
Im folgenden Schritt (Fig. Id) wird eine weitere leitfähigeIn the following step (Fig. Id) becomes another conductive
Lage 6, die auch aus mehreren Schichten bestehen kann, auf die so entstandene Oberfläche derart aufgebracht (z. B. mittels gerichtetem Aufdampfen) , dass im wesentlichen nur die der ersten Oberflächenlage parallelen Flächen damit bedeckt werden.Layer 6, which may also consist of several layers, applied to the surface thus formed (eg, by means of directional vapor deposition) that substantially only the surfaces parallel to the first surface layer are covered with it.
Optional kann ein weiterer Prozessschritt (z. B. isotropes Ätzen) zur weiteren Abtragung der Isolatoroberfläche und damit zur Erhöhung der Isolationsfestigkeit erfolgen (Fig. Ie) . Die dadurch neu entstandenen Isolatoroberflächen 7 weisen eine erhöhte Spannungsfestigkeit gegenüber den ursprünglichen Isola- toroberflachen 5 auf.Optionally, a further process step (for example, isotropic etching) can be carried out for further removal of the insulator surface and thus for increasing the insulation resistance (FIG. The newly formed insulator surfaces 7 have an increased dielectric strength in relation to the original insulator surfaces 5.
Eine vorteilhafte Eigenschaft dieser Struktur ist, dass die Bereiche 5, die der Bahn 4 am nächsten liegen, zum größten Teil nicht durch den gestreuten Teilchenstrahl 10 aus der Teilchen- strahldepositon der Feldemitterspitze 8 mit dem Primärteilchen- strahl 9 getroffen werden können und damit die Ausbildung einer leitfähigen Schicht, die das Isolationsvermögen zerstören würde, nicht stattfindet. Die Teilchenstrahldeposition kann darüber hinaus noch durch geeignete elektrische Felder unterstützt werden, die über die leitfähigen Oberflächenlagen 3 und/oder Bahnen 4 erzeugt werden können, und die langsame Sekundärteilchen aus vorgenanntem Prozeß von den Bereichen der Isolatoroberfläche 5 oder 7 fernhalten. Fig. If zeigt die Wirkungswei- se. Dies ist gleichzeitig der wesentliche Unterschied zu dem in DE 69116859T2 gezeigten Verfahren, bei dem die Feldemitterspitze, falls sie durch Elektronenstrahldeposition erzeugt werden würde, die Isolationsfestigkeit der Isolatorbereiche deutlich herabsetzen würde.An advantageous feature of this structure is that the regions 5 which lie closest to the web 4 can for the most part not be struck by the scattered particle beam 10 from the particle beam deposition of the field emitter tip 8 with the primary particle beam 9 and thus the formation a conductive layer that would destroy the insulating power does not take place. The Teilchenstrahldeposition can also be supported by suitable electric fields which can be generated via the conductive surface layers 3 and / or webs 4, and the slow secondary particles from the aforementioned process from the areas of the insulator surface 5 or 7 keep away. This is also the essential difference from the method shown in DE 69116859T2, in which the field emitter tip, if it were to be produced by electron beam deposition, would significantly reduce the insulation strength of the insulator regions.
Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der Struktur nach Fig. If ist, dass die noch verbleibenden Isolatorbereiche 5, 7, aus Richtung senkrecht auf die Oberfläche des Substrates gesehen, verdeckt sind und sich daher nicht durch Sekundärprozesse beim Betrieb der Teilchenstrahlquelle aufladen, bzw. eine Aufladung dieser Isolatorbereiche sich nicht störend auf die Teichenemission der Teilchenstrahlquelle auswirkt.A further advantageous feature of the structure according to FIG. If is that the remaining insulator regions 5, 7, viewed from the direction perpendicular to the surface of the substrate, are concealed and therefore do not charge by secondary processes during operation of the particle beam source, or a charge thereof Insulator areas does not interfere with the pitting emission of the particle beam source.
Das Herstellungsverfahren der Feldemissionsspitze 8 mit Teil- chenstrahldeposition hat den weiteren Vorteil, dass die Feldemitterspitze 8 bis auf wenige Nanometer exakt positioniert wer- den kann. Erst dadurch ist es möglich, die Feldemitterspitze 8 exakt im Zentrum der elektronenoptischen Achse zu positionieren und durch Fehlpositionierung verursachte Abbildungsfehler zu vermeiden. Dies unterscheidet dieses hier beschriebene Verfahren von anderen Verfahren (z. B. Abscheidung von carbon nanotu- bes als Feldemitter) , die wegen der mangelnden Positionierfähigkeit große Aberrationen in der elektronenoptischen Auslegung erzeugen.The method of producing the field emission tip 8 with particle beam deposition has the further advantage that the field emitter tip 8 can be positioned exactly up to a few nanometers. Only then is it possible to position the field emitter tip 8 exactly in the center of the electron-optical axis and to avoid aberrations caused by mispositioning. This distinguishes this method from other methods (eg deposition of carbon nanotubes as field emitters), which, due to the lack of positioning capability, generate large aberrations in the electron-optical design.
Alle leitfähigen Lagen sind bis an makroskopische flache Geometrien (z. B. Kontaktpads) der Substratoberfläche 2 weiterge- führt, über die auf einfache Weise elektrische Spannung an besagte Lagen angelegt wird.All conductive layers are carried on to macroscopic flat geometries (eg contact pads) of the substrate surface 2, via which electrical voltage is applied in a simple manner to said layers.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 2a bis 2c gezeigt. Auf der der Isolatoroberfläche 2 eines Substrats 1 wird mittels optisch lithografischer, elektronenstrahllithografi- scher, chemischer und/oder anderer geeigneter Methoden eines erste leitfähige Oberflächenlage 3 hergestellt. Diese Fläche bedeckt nur einen Teil der Isolatoroberfläche 2 des Substrates 1. Bevorzugt wird die besagte Fläche mit einer Geometrie erzeugt, die Bereiche hat, welche von möglichst viel der nicht mit der Leiterfläche bedeckten Fläche umgeben sind (z. B. längere scharfe Ecken) . Fig. 2b zeigt eine stark vergrößerte Draufsicht von oben auf eine mögliche bevorzugte Ausführungs- form. Vorzugsweise eine Ausbuchtung oder scharfe Ecke der leitfähigen Fläche mit einer Länge bevorzugt größer als 1 μm dient als Fußpunkt 11 für die Teilchenstrahldeposition der Feldemitterspitze 8. Analog wie in Fig. Ib bis If beschrieben wird die Unterätzung und Herstellung der weiteren Lage durchgeführt. Die Feldemitterspitze 8 wird über eine Spannungsdifferenz zwischen den leitfähigen Schichten zur Emission angeregt. Dieses Ausführungsbeispiel besitzt den Vorteil, keine hochauflösenden Struk- turierungsmaßnahmen (z. B. Elektronenstrahllithografie) zu erfordern.Another embodiment is shown in Figs. 2a to 2c. On the insulator surface 2 of a substrate 1 becomes produced by means of optical lithographic, electron beam lithographic, chemical and / or other suitable methods of a first conductive surface layer 3. This surface covers only a portion of the insulator surface 2 of the substrate 1. Preferably, said surface is created with a geometry having regions surrounded by as much of the surface not covered by the conductor surface as possible (eg, longer sharp corners). FIG. 2b shows a greatly enlarged top view of a possible preferred embodiment. Preferably, a bulge or sharp corner of the conductive surface with a length preferably greater than 1 μm serves as foot point 11 for the particle beam deposition of the field emitter tip 8. Analogously to FIG Ib to If, the undercut and production of the further layer is carried out. The field emitter tip 8 is excited to emit via a voltage difference between the conductive layers. This embodiment has the advantage of not requiring high-resolution structuring measures (eg electron beam lithography).
Natürlich sind verschiedenartigste Geometrien möglich, denen nur das Merkmal gemeinsam ist, dass sie anfänglich eine leitfähige Fläche mit einen Rand zum Isolator hin besitzen und mechanisch stark genug sind, um an diesem Rand ausreichendes Unterätzen des Isolators zu erlauben, sowie dick genug sind, um den Primärelektronenstrahl 9 zu blockieren. Ebenso sind verschiedene Ausführungsformen der teilchenstrahldeponierten Feldemitterspitze 8 möglich. Insbesondere kann die Feldemitterspitze unter anderen als den in den Zeichnungen gezeigten Winkeln relativ zur Oberfläche 2 erzeugt werden. Insbesondere kann auch die die Feldemitterspitze tragende Bahn 4 eine höherzählige Symmetrie besitzen, um dem Astigmatismus des emittierten Teilchenstrahls entgegenzuwirken. Of course, a variety of geometries are possible, sharing only the feature of initially having a conductive surface with a rim towards the insulator and being mechanically strong enough to allow sufficient undercutting of the insulator at that edge as well as being thick enough to support the insulator Block primary electron beam 9. Likewise, various embodiments of the particle beam-deposited field emitter tip 8 are possible. In particular, the field emitter tip may be generated at angles other than the angles shown in the drawings relative to the surface 2. In particular, the track 4 carrying the field emitter tip may also have a higher symmetry in order to counteract the astigmatism of the emitted particle beam.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Teilchenstrahlquelle, welche wenigstens eine Feldemitterspitze zur Abstrahlung von Teilchen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:1. A method for producing a micromechanical particle beam source, which has at least one field emitter tip for the emission of particles, characterized in that the method comprises the following steps:
- Aufbringen mindestens einer Oberflächenlage aus einem elektrisch halbleitenden oder leitenden Material auf die Oberfläche (2) eines Substrates (1), wobei das Substrat (1) zumindest auf der Oberfläche elektrisch isolierend ist,Applying at least one surface layer made of an electrically semiconductive or conductive material to the surface (2) of a substrate (1), the substrate (1) being electrically insulating at least on the surface,
- Strukturieren der mindestens einen auf das Substrat (1) aufgebrachten Oberflächenlage dergestalt, dass eine möglichst schmale, d.h. schmaler als etwa 1 μm, elektrisch leitfähige Bahn von geringer Höhe, d.h. wiederum geringer als etwa 1 μm gefertigt wird, wobei die Bahn als Unterlage für das spätere Deponieren einer Feldemitterspitzen dient,- structuring the at least one surface layer applied to the substrate (1) in such a way that as narrow as possible, i. narrower than about 1 micron, low profile electrically conductive web, i. again less than about 1 micron is made, the web serves as a support for the later depositing a field emitter tips,
- teilweises Abtragen von zwischen den Bahnen liegenden, freiliegenden Bereichen der elektrisch isolierenden Substratoberfläche dergestalt, dass die entstehenden neuen elektrisch isolierenden Substratoberflächen beim folgenden Aufbringen einer weiteren leitfähigen Lage nicht komplett bedeckt werden, sondern dass die Bedeckung der Bereiche der neu entstandenen elektrisch" isolierenden Substratoberfläche durch die darüber liegenden Oberflächenlagen (3, 4) verhindert wird,Such partial removal of lying between the webs, exposed portions of the electrically insulating substrate surface, that the resulting new electrically insulating substrate surfaces are not completely covered in the subsequent application of a further conductive layer, but that the coverage of areas of the newly formed electrically 'insulating substrate surface by: - the overlying surface layers (3, 4) is prevented
- Aufbringen einer weiteren leitfähige Lage (6) auf die so ent- standene Oberfläche derart, dass die der Substratoberfläche abgewandten Seiten der elektrisch isolierenden Substratoberflächen bedeckt werden, undApplying a further conductive layer (6) to the surface thus formed such that the sides of the electrically insulating substrate surfaces facing away from the substrate surface are covered, and
- Aufbringen der Feldemitterspitze auf die schmale Bahn und hierbei exakte Positionierung der Feldemitterspitze (8) mit ei- ner Genauigkeit von wenigen nm im Zentrum der optischen Achse der mikromechanischen Teilchenstrahlquelle.Application of the field emitter tip to the narrow path and exact positioning of the field emitter tip (8) with an ner accuracy of a few nm in the center of the optical axis of the micromechanical particle beam source.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten leitfähigen Lagen (3, 4) unterätzt werden, insbesondere vermittels einem isotropen Ätzschritt.2. The method according to claim 1, characterized in that the first conductive layers (3, 4) are undercut, in particular by means of an isotropic etching step.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen von zwischen den Bahnen liegenden, freiliegenden Bereichen der elektrisch isolierenden Substratoberfläche durch selektives chemisches Ätzen in Flüssig- oder Gasphase oder eine andere damit vergleichbare Ätzmethode erfolgt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the removal of lying between the tracks, exposed areas of the electrically insulating substrate surface by selective chemical etching in the liquid or gas phase or another comparable etching method is carried out.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenlagen aus einer oder mehreren übereinander liegenden Schichten bestehen.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the surface layers consist of one or more superimposed layers.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass weitere daneben liegende, durch eine Isolatoroberfläche getrennte Bahnen oder andere geometrische Formen von Metall hergestellt werden, welche als zusätzliche Elektroden zur Extraktion, zur Fokussierung, oder zur Teilchenstrahlformung dienen.5. The method according to any one of the preceding claims, character- ized in that additional adjacent, separated by an insulator surface tracks or other geometric shapes of metal are produced, which serve as additional electrodes for extraction, for focusing, or for particle beam shaping.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnen vermittels lithografischer Methoden wie z. B. Elektronenstrahllithografie hergestellt werden.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the webs by means of lithographic methods such. B. electron beam lithography are produced.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Bahnen (3, 4) als vorbe- stimmte geometrischen Formen auf einem ebenen Isolator, insbesondere einem solchen aus Siliziumdioxid, aufgebracht werden.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the conductive tracks (3, 4) as predetermined geometric shapes on a planar insulator, in particular one made of silicon dioxide, are applied.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Prozessschritt zur weiteren Abtragung der Isolatoroberfläche und damit zur Erhöhung der Iso- lationsfestigkeit durchgeführt wird. (Fig. Ie) . 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a further process step for further removal of the insulator surface and thus to increase the insulation is carried out insulation. (Fig. Ie).
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere leitfähige Lage (6), die insbesondere aus mehreren Schichten bestehen kann, durch gerichtetes Aufdampfen aufgebracht wird.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a further conductive layer (6), which may consist in particular of several layers, is applied by directional vapor deposition.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Strukturen alle Isolatoroberflächen von der Vakuumseite aus abdecken und dadurch Aufladungen dieser Isolatoroberflächen durch den von der Bahn (4) ausgehenden Teilchenstrahl (9) oder durch vom Teilchenstrahl hervorgerufene Sekundärprozesse verhindert werden.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the conductive structures cover all insulator surfaces from the vacuum side and thereby charges of these insulator surfaces by the web (4) outgoing particle beam (9) or caused by the particle beam secondary processes are prevented.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem weiteren Unterätz-Schritt die Extraktionsstruktur unterätzt wird.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the extraction structure is undercut with a further undercut step.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der durch die Emitter-Leiterbahnen induzierte Astigmatismus des Strahls durch geeignete Emitterflächengeometrie minimiert oder sogar eliminiert wird.12. The method according to any one of the preceding claims, character- ized in that the induced by the emitter tracks astigmatism of the beam is minimized by suitable Emitterflächengeometrie or even eliminated.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter Kohlenstoff aufweist, und des weiteren ein Verasch-Schritt durchgeführt wird, mit welchem ein dünner parasitärer Film entfernt wird.13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the emitter comprises carbon, and further a Verasch-step is performed, with which a thin parasitic film is removed.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Teilchenstrahldeposition an die voneinander elektrisch isolierten Lagen (3, 4 und 6) unter- schiedliche elektrische Spannungen angelegt werden. 14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that during the Teilchenstrahldeposition to the mutually electrically isolated layers (3, 4 and 6) different electrical voltages are applied.
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