(57)【要約】  本発明は、粒子を放出するための少なくとも１個の電界放出尖端部（４）を有する、真空室（２）内に配置されているかまたは真空室（２）内に向いている少なくとも１個の粒子エミッタ（３）と、少なくとも１個の粒子エミッタ（３）に付設された、放出された粒子流（５）を集束するための磁界発生器（６）とを備え、粒子エミッタ（３）の電界放出尖端部（４）が、磁界発生器（６）とは反対の基板（８）の側の表面（７）上または表面内に製作されたエミッタ構造体（９）によって形成され、基板（８）が真空室（２）と真空室（２）の外側にある大気室（１０）との間の隔壁として形成され、磁界発生器（６）が真空室（２）の外側で、エミッタ構造体（９）とは反対の基板（８）の側（１４）に配置されている、特に電子顕微鏡またはイオン顕微鏡のような粒子光学的機器のための粒子を熱誘導電界放出するための装置と、装置を製作する方法に関する。
2010520581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子を放出するための少なくとも１個の電界放出尖端部（４）を有する、真空室（２）内に配置されているかまたは真空室（２）内に向いている少なくとも１個の粒子エミッタ（３）と、少なくとも１個の粒子エミッタ（３）に付設された、放出された粒子流（５）を集束するための磁界発生器（６）とを備えている、特に電子顕微鏡またはイオン顕微鏡のような粒子光学的機器のための粒子を電界放出するための装置において、
粒子エミッタ（３）の電界放出尖端部（４）が、磁界発生器（６）とは反対の基板（８）の側の表面（７）上または表面内に製作されたエミッタ構造体（９）によって形成され、基板（８）が真空室（２）と真空室（２）の外側にある大気室（１０）との間の隔壁として形成され、磁界発生器（６）が真空室（２）の外側で、エミッタ構造体（９）とは反対の基板（８）の側（１４）に配置されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
基板（８）の表面（７）の、少なくとも微小構造体（１１）寄りの側が、電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
基板（８）の表面（７）上または表面内に製作されたエミッタ構造体（９）がマイクロメカニック的な寸法を有し、電界放出端部（４）が５０ｎｍよりも小さな曲率半径（ｒ）、特に２０ｎｍよりも小さな曲率半径（ｒ）、好ましくは１０ｎｍよりも小さな曲率半径（ｒ）、さらに好ましくは５ｎｍよりも小さな曲率半径（ｒ）を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
放出された粒子流（５）を集束するための磁界発生器（６）によって発生した磁界の作用範囲が、約１０ｍｍよりも小さく、好ましくは約３ｍｍよりも小さく、特に約１ｍｍよりも小さく、磁界発生器（６）が、少なくとも大部分が電界尖端部（４）の場所で抽出構造体（９）の表面に対してほぼ垂直である磁界を発生することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
粒子エミッタ（３）の仮想の源の大きさが１００ｎｍ２よりも小さく、特に１０ｎｍ２よりも小さく、さらに好ましくは１ｎｍ２よりも小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
粒子放出のための放出面積が１００ｎｍ２よりも小さく、特に２５ｎｍ２よりも小さく、好ましくは特に１０ｎｍ２よりも小さく、さらに特に好ましくは１ｎｍ２よりも小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
電界放出尖端部（４）が少なくとも２つの異なる材料で作られていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
電界放出尖端部（４）が特に金属を含有する材料からなる基礎構造体（１５）と、炭素成分または粒子放出を促進する他の物質成分を有する他の層構造体（１６）を備え、少なくとも２つの異なる材料が電子ビーム蒸着によって基板（８）に分離析出され、および／または基板（８）または基礎構造体または層構造体への材料の蒸着またはスパッタリングによって製作されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
電界放出尖端部（４）が常磁性材料または粒子放出場所の磁界の強さを増大する類似の材料によって製作されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
電界放出尖端部（４）が強磁性材料または電子放出場所の磁界の強さを増大する類似の材料によって製作されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
基板（８）が常磁性材料、強磁性材料または永久磁石材料で作られ、かつ表面（７）にのみ薄い絶縁層を有し、この絶縁層の上に微小構造体（１１）が設けられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
粒子放出装置（１）が１０００Ａ／（ｃｍ２  ｓｒ  Ｖ）よりも大きな指向性ビーム値、特に５０００Ａ／（ｃｍ２  ｓｒ  Ｖ）よりも大きな指向性ビーム値および特に１００００Ａ／（ｃｍ２  ｓｒ  Ｖ）よりも大きな指向性ビーム値を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
磁界発生器（６）とは反対の基板（８）の側の表面（７）上または表面内に形成された微小構造体（１１）の導電性層（９）の少なくとも一部が、真空室（２）と絶縁体（１２）が占める領域を越えて、周囲大気寄りの領域まで延在し、微小構造体（１１）のこの導電性層（９）が電気的な接触のための導電性面（２０）を形成していることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
薄い導電性層（１１）と１個または複数個の電界放出尖端部（４）が共に粒子エミッタ（３）であり、この粒子エミッタが粒子ビームリソグラフィックな方法ステップによって製作されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
電界放出尖端部（４）が粒子ビーム蒸着によって製作されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
電界放出尖端部（４）がエミッタプリント導体（１８）上に製作されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
薄い導電性層（１１）の一部が抽出電極および／または例えば静電集束レンズまたはスチグマトールのような他の粒子光学装置を形成していることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
基板（８）が、真空室（２）と大気室との間の圧力差に耐えるために、好ましくは０．３ｍｍ以上の厚さを有することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
大気室内の圧力が適当な技術的装置によって低下させられ、基板（８）が好ましくは１ｍｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
微小構造体（１１）の導電性層の厚さが好ましくは約１００ｎｍであり、その幅が粒子光学的な要求に応じて０．１μｍ〜数ｍｍの間であり、電界放出尖端部（４）の高さが０．１μｍよりも高く、好ましくは１μｍよりも高く、そして基部の幅が１μｍよりも狭いことを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
磁界発生器（６）が最大で数ｍｍの寸法を有する永久磁石からなり、磁界発生器（６）によって発生した磁界が、最大限の数ｍｍよりも大きく真空室（２）内に作用しないことを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
磁界発生器（６）が永久磁石および／または１個または複数個のコイルからなり、コイルが永久磁石によって発生した磁界を微調節および空間的に調整する働きをすることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
永久磁石が、特にＣｏＳｍまたはＮｄＦｅＢのような適切に成形され磁化された永久磁石材料からなり、および／または磁界発生器（６）が超伝導材料からなるコイルを備えていることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
小型化された集束要素および／または他の粒子光学的な要素を備えた多数の同じような粒子エミッタ（３）が狭い空間に並べて基板（８）上に形成されていることを特徴とする請求項１〜２３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
小型化された電界放出尖端部（４）が加熱可能に形成され、電流の流れによって電界放出尖端部（４）を加熱するために、給電プリント導体が基板（８）上に形成されていることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２６】
基板（８）および／または粒子エミッタ（３）が適当な外部装置によって冷却されていることを特徴とする請求項１〜２５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２７】
磁気的な界浸レンズを発生する磁界発生器が真空室（２）の外側に配置されていることを特徴とする請求項１〜２６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２８】
粒子を放出するための少なくとも１個の電界放出尖端部を有する、真空室内に配置されているかまたは真空室内に向いている少なくとも１個の粒子エミッタと、少なくとも１個の粒子エミッタに付設された、放出された粒子流を集束するための磁界発生器とを備えている、特に電子顕微鏡またはイオン顕微鏡のような粒子光学的機器用の、粒子を電界放出するための粒子エミッタを製作する方法において、
粒子エミッタ（３）の電界放出尖端部（４）が、磁界発生器（６）とは反対の基板（８）の側の表面（７）上または表面内に製作されたエミッタ構造体（９）によって形成され、基板（８）が真空室（２）と真空室（２）の外側にある大気室（１０）との間の隔壁としての働きをし、磁界発生器（６）が真空室（２）の外側で、エミッタ構造体（９）とは反対の基板（８）の側（１４）に配置されることを特徴とする方法。
【請求項２９】
基板（８）の表面（７）上または表面内に製作されたエミッタ構造体（９）がマイクロメカニック的な寸法を有し、電界放出端部（４）の曲率半径（ｒ）が５０ｎｍよりも小さく、特に２０ｎｍよりも小さく、好ましくは１０ｎｍよりも小さく、さらに好ましくは５ｎｍよりも小さいことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
放出された粒子流（５）を集束するために磁界発生器（６）によって発生した磁界の平均飛程が、約１０ｍｍよりも小さく、特に約１ｍｍよりも小さく、磁界発生器（６）が、少なくとも大部分が電界放出尖端部（４）の場所で抽出構造体（９）の表面に対してほぼ垂直である磁界を発生することを特徴とする請求項２８または２９に記載の方法。
【請求項３１】
電界放出尖端部（４）が少なくとも２つの異なる材料で作られ、電界放出尖端部が特に金属を含有する材料からなる基礎構造体（１５）と、炭素成分を有する他の層構造体（１６）を備え、少なくとも２つの異なる材料が電子ビーム蒸着によって基板（８）に分離析出され、および／または基板（８）または基礎構造体または層構造体への材料の蒸着によって製作されていることを特徴とする請求項２８〜３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
放出尖端部が常磁性材料または電子放出場所の磁界の強さを増大する類似の材料によって製作されていることを特徴とする請求項２８〜３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
放出尖端部（４）が強磁性材料または電子放出場所の磁界の強さを増大する類似の材料によって製作されていることを特徴とする請求項２８〜３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
基板が常磁性材料、強磁性材料または永久磁石材料で作られ、かつ薄い絶縁層を有し、この絶縁層の上にエミッタ構造体を備えていることを特徴とする請求項２８〜３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
磁界発生器（６）とは反対の基板（８）の側の表面（７）上または表面内に形成された微小構造体（１１）の導電性層（９）の少なくとも一部が、真空室（２）と絶縁体（１２）が占める領域を越えて、周囲大気寄りの領域まで形成され、微小構造体（１１）のこの導電性層（９）が電気的な接触のための導電性面（１７）を形成していることを特徴とする請求項２８〜３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
薄い導電性層と１個または複数個の粒子エミッタが共に抽出構造体であり、この抽出構造体が粒子ビームリソグラフィックな方法ステップによって製作されることを特徴とする請求項２８〜３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
粒子放出尖端部が粒子ビーム蒸着によってエミッタプリント導体上に製作されることを特徴とする請求項２８〜３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
薄い導電性層の一部が抽出電極および／または例えば静電集束レンズのような他の粒子光学的な装置および／またはスチグマトールを形成していることを特徴とする請求項２８〜３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
微小構造体の導電性層の厚さが好ましくは約１００ｎｍであり、その幅が粒子光学的な要求に応じて１μｍ〜数ｍｍの間であり、放出尖端部１０の高さが約１μｍであり、そして基部の幅が１μｍよりも狭いことを特徴とする請求項２８〜３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４０】
磁界発生器が永久磁石および１個または複数個のコイルからなり、コイルが永久磁石によって発生した磁界を微調節および／または空間的に調整する働きをすることを特徴とする請求項２８〜３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４１】
永久磁石が、特にＣｏＳｍまたはＮｄＦｅＢのような適切に成形され磁化された永久磁石材料からなり、磁界発生器が超伝導材料からなるコイルを備えていることを特徴とする請求項２８〜４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
小型化された集束装置および／または検出装置を備えた多数の同じようなエミッタが狭い空間に並べて基板上に形成されていることを特徴とする請求項２８〜４１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
小型化された放出尖端部が加熱可能に形成され、電流の流れによって放出尖端部を加熱するために、給電プリント導体が基板上に形成されていることを特徴とする請求項２８〜４２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４４】
基板および／または粒子エミッタが外部装置によって冷却されることを特徴とする請求項２８〜４３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４５】
磁気的な界浸レンズが粒子エミッタ真空室の外側に配置されていることを特徴とする請求項２８〜４４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に記載した、粒子光学的機器のための粒子を電界放出する装置と、請求項２８の前提部分に記載した、このような装置を製作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば表面構造を検査するための走査型電子顕微鏡または粒子ビーム励起によって材料を検査するためのマイクロプローブのような粒子光学的機器の場合、試料表面における粒子ビームの直径（プローブ流れ）はプローブ流れの強さとの組み合わせにおいて、機器の分解能を決定する量である。この組み合わせはプローブ流れ密度と呼ばれる。プローブ流れ密度、ひいては分解能は一般的に、粒子光学系では色収差（Ｆａｒｂｆｅｈｌｅｒ）と球面収差（Ｏｅｆｆｎｕｎｇｓｆｅｈｌｅｒ）によって上限が決定される。プローブ流れ密度の他の制限は、当該用途では重要ではない。粒子流のエネルギー幅は色収差の原因になり、粒子光学系の粒子ビームの空間的な広がりは球面収差の原因になる。撮像時に信号ノイズに基づいて撮像のための時間を実施可能な値に高めることをしない場合には、粒子ビームの空間的な広がりは粒子顕微鏡では非常に小さくなり得る。しかしながら、粒子ビームの空間的な広がりは、高い指向性ビーム値を有する粒子ビームの場合にはＳＮ比の低下なしに、小さな指向性ビーム値を有するビームの場合よりも小さくなり得る。高いプローブ流れ密度はプローブ流れの高い指向性ビーム値によって高まる。最新機器において、所定のＳＮ比の場合の試料上の粒子ビームの最小直径は、一方では粒子源の指向性ビーム値によって制限され、他方では粒子ビームのエネルギー幅によって制限される。プローブ流れのエネルギー幅は実質的に、粒子エミッタの温度と材料によって設定される。最小のプローブ流れ直径のためには最小のエネルギー幅が必要である。冷たい金属は一般的に、粒子放出のための最小のエネルギー幅を有し、従って高いプローブ流れ密度および高い分解能にとって最良の前提条件である。プローブ流れの指向性ビーム値は粒子エミッタの指向性ビーム値によって制限される。というのは、粒子エネルギーが一定の場合、粒子光学的な要素によって指向性ビーム値を高めることができないからである。しかしながら、不適切な構造の場合、粒子光学的な要素は指向性ビーム値を低下させる。従って、最高の分解能のためには、すべての粒子光学的要素を最適化することに留意すべきである。
【０００３】
高分解能の走査型電子顕微鏡のための粒子エミッタは、直径が１マイクロメートルまたはそれ以下の尖った金属製尖端部を有する。この尖端部はエミッタの実施に応じて、粒子ビームの最小のエネルギー幅のために加熱されないかあるいは高い放出流のためのエミッタ表面からの容易な粒子放出のために加熱される。このようなエミッタはすべて、粒子ビームの抽出のために高い電場を有し、電界放出を定期するためにこの電場を供給する。この電場はエミッタ尖端部の小さな直径に基づいて不均一である。それによって、電場は静電式界浸レンズ（界浸レンズは、物体または像がレンズの界の中にあるレンズである）のように作用する。この静電式界浸レンズはこのような各エミッタの一体構成部品である。
【０００４】
磁気レンズが静電式レンズと比べて良好な粒子光学的な特性を有することが、粒子光学によって知られている。同様に、界浸レンズが普通のレンズと比べて良好な粒子光学的な特性を有することが知られている。界浸レンズの粒子光学的な特性を改善するために、粒子顕微鏡のための粒子エミッタが付加的な磁気界浸レンズを備えることが、Ｍ．Ｔｒｏｙｏｎ："Ｈｉｇｈ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｇｕｎ  ｓｙｓｔｅｍ  ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ  ａ  ｐｒｅａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｌｅｎｓ．Ｉｔｓ  ｕｓｅ  ｉｎ  ＣＴＥＭ"  ＯＰＴＩＫ  ５７、ｎｏ．２（１９８０）、４０１〜４１９とＡ．Ｄｅｌｏｎｇ  ｅｔ  ａｌ．："Ａ  ｎｅｗ  ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａ  ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｇｕｎ  ｗｉｔｈ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｌｅｎｓ"ＯＰＴＩＫ  ８１、ｎｏ．３（１９８９）、１０３〜１０８と米国特許第５０４１７３２号明細書において試験によって報告されている。この改善は実験によって有効性が確認された。もちろん、付加的な磁気界浸レンズの構造は、真空および必要スペースの要求に基づいて、複雑でコストがかかる。この理由から、磁気レンズを一体化した粒子エミッタは今まで、粒子顕微鏡分野において市販化された製品として存在していない。
【０００５】
図４は、例えば米国特許第５０４１７３２号明細書によって知られているような、磁気レンズを含む、粒子顕微鏡、特に電子顕微鏡の粒子ビーム源の原理的な構造を示している。このような電子顕微鏡はフィラメント２２の端部に固定された電界放出尖端部２１を備えている。このフィラメント２２は絶縁体２３に沿って延在する接続電極２４に接続されている。磁気レンズ２５は円形コイル２６と、このコイル２６を取り囲みかつ磁気通路を形成する第１磁極片２７と、第２磁極片２８とを備えている。この第２磁極片は第１磁極片２７に対して電気的に絶縁されているが、磁束通路を形成するために磁気的に接続されている。第１磁極片２７の内径は、抑制電極３０の保持板３１の外径よりも大きい。この場合、放出尖端部２１および抑制電極３０は磁気レンズ２５内に収納されている。磁界は第１磁極片２７の下端側の表面２７Ａと、第２磁極片２８の上端側の表面２８Ａとの間に延在している。放出尖端部２１は両内側表面２７Ａと２８Ａとの間においてほぼ同じ高さ位置に配置されている。第２磁極片２８の内径は第１磁極片２７の内径よりも小さく、そして磁束密度の最大値ができるだけ放出尖端部２１の近くに位置するようになっている。抑制電極３０は、放出尖端部２１を取り囲むように絶縁体２３に固定され、かつ保持板３１によって支持されている。狭い中央穴を有する抽出電極３２は第２磁極片２８の中央部分に固定されている。中央穴を有するレンズ電極３３は抽出電極３２の下方に配置され、そしてレンズ電極３３の下方に、中央穴を有する接地電極３４が配置されている。レンズ電極３３は絶縁体３５を介して柱の外壁３６に支持されている。接地電極３４は外壁３６に直接支持可能である。抑制電極３０、保持板３１、抽出電極３２、レンズ電極３３および接地電極３４はすべて、例えばチタンのような非磁性材料で作られている。コイル２６の下側表面は例えばチタンのような非磁性材料で作られた負圧密封板３７によって覆われている。抑制電極３０用の保持板３１は絶縁体３８を介して上板３９に支持されている。その際、第１磁極片２７、第２磁極片２８、負圧密封板３７、絶縁体３８および上板３９は真空室を形成している。放出尖端部と磁気レンズを取り囲むこの真空室は、支柱の外壁３６の上側に固定されている。磁力に起因する、装置またはその構成部品の変形または移動が回避されるように、例えばチタンのような非磁性材料からなる支持部材４１が、第１磁極片と第２磁極片との間に設けられている。支持部材４１は真空引きのための穴４１Ａを有する。支持部材４１は絶縁体４２を介して第１磁極片２７から電気的に絶縁されている。
【０００６】
走査型粒子顕微鏡用の従来知られている他の粒子ビームヘッドの構造の原理図が図５と図６に示してある。一般的に鋭い金属尖端部５１を付着させたヘアピン５０として形成された冷間のまたは加熱される電界放出エミッタ５２は、絶縁体５３を介して、抽出口５５を有する金属スクリーン５４に取付けられ、そしてほとんど接地電位であるスクリーン５４に対して高い負または正の電位にもたらされる。冷間の電界放出エミッタ５１とスクリーン５４との間の印加された電圧の大きな差によって、粒子５６が電界放出尖端部５１から引っ張られ、スクリーン５４の方へ加速される。スクリーン開口は一般的に非常に小さい。というのは、粒子顕微鏡の後続の粒子光学系が電界放出エミッタ５２から抽出された粒子ビーム５６の中央部分だけしか適切に利用できないからである。その結果、抽出された粒子流のほんのわずかな部分しか、撮影に供されない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の根底をなす課題は、構造的に簡単で、それに伴い低コストで製作可能である、粒子光学的機器のための粒子を（熱誘導または冷間）電界放出するための装置と製作方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は請求項１に記載した装置と、請求項２８に記載した方法によって解決される。
【０００９】
本発明に従って、粒子を放出するための少なくとも１個の電界放出尖端部を有する、真空室内に配置されているかまたは真空室内に向いている少なくとも１個の粒子エミッタと、少なくとも１個の粒子エミッタに付設された、放出された粒子流を集束するための磁界発生器とを備え、粒子エミッタの電界放出尖端部が、磁界発生器とは反対の基板の側の表面上または表面内に製作された導電性エミッタ構造体によって形成され、基板が少なくともこの表面で電気的に絶縁され、基板が真空室と真空室の外側にある大気室との間の隔壁として形成され、磁界発生器が真空室の外側で、エミッタ構造体とは反対の基板の側に配置されている、特に電子顕微鏡またはイオン顕微鏡のような粒子光学的機器のための粒子を電界放出するための装置が設けられる。
【００１０】
本発明の原理に従って、基板は真空室寄りのその側に、薄い導電性層と複数の電界放出尖端部とからなる複数の微小構造体を支持し、この導電性層と電界放出尖端部が共に粒子エミッタであり、基板が絶縁体を介して、真空室を取り囲む特に導電性のビーム管に負圧密封的に連結され、磁界発生器が真空室の外側に配置されている。
【００１１】
その際、本発明に従って、基板の表面上または表面内に製作されたエミッタ構造体がマイクロメカニック的な寸法を有し、電界放出端部が５０ｎｍよりも小さな曲率半径、特に２０ｎｍよりも小さな曲率半径、好ましくは１０ｎｍよりも小さな曲率半径、さらに好ましくは５ｎｍよりも小さな曲率半径を有すると有利である。本発明によれば、基板は真空室寄りのその側に、薄い導電性層と１個または複数の電界放出尖端部とからなる多数の微小構造体を支持し、この導電性層と電界放出尖端部が共に粒子エミッタであり、基板が絶縁体を介して、真空室を取り囲む特に導電性のビーム管に負圧密封的に連結されている。磁界発生器と、磁界を形成するかまたは磁界に影響を及ぼす、コイルおよび／または磁石のようなその他の装置とがすべて、真空室の外側に配置されていると有利である。
【００１２】
本発明に係る装置によって、構造的コストが最小になると共に、放出された粒子流を集中または集束するための磁界発生器によって発生した磁界の作用範囲を、約１０ｍｍよりも小さく、好ましくは約３ｍｍよりも小さく、特に約１ｍｍよりも小さく発生することに成功し、この場合磁界発生器が、少なくとも大部分が電界尖端部の場所で抽出構造体の表面に対してほぼ垂直である磁界を発生すると有利である。
【００１３】
磁界発生器の寸法と磁界の強さは好ましくは、磁界作用範囲を出た後の粒子ビームの発散が大幅に低減されるかまたは粒子ビームが集束するように選定される。その際発生した磁界の強さが約０．５Ｔで、電子ビームエネルギーが１００ｅＶである場合、発散放出された電子ビームは約０．２ｍｍ後で平行なビームになる。
【００１４】
本発明は、粒子光学系の球面収差を最小限に抑えるために、磁気的な界浸レンズを利用する、粒子ビームを電界放出するための装置を提案する。電界放出装置はマイクロメートルの範囲またはそれ以下の寸法を有する主要な部品を有し、ＭＥＭＳ（ＭＥＭＳ＝マイクロ電気機械システム（ｍｉｃｒｏ  ｅｌｅｃｔｒｏ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ））技術によって製作される。これは、磁気的な浸漬の界の必要な大きさを最小限に抑える。これはさらに、低価格の静磁気的または動磁気的ユニットの使用と、この界浸レンズの簡単な構造を可能にする。電界放出装置の小型化のために、磁気的な界浸レンズを生じる磁界発生器は粒子エミッタ真空部の外に配置可能である。これは装置のあまり複雑でない構造を可能にする。
【００１５】
本発明の原理に従って、粒子エミッタは小型化技術によって作成される。小型化は、エミッタ構造体全体が平らな基板の表面に位置するように行われる。
【００１６】
基板の厚さは、基板の厚さにわたって磁界をあまり低減しすぎることなく、磁界を発生する装置の主要部分を大気寄りの基板の側に取付けることができるように、薄く選定される。基板は粒子エミッタの真空の画成部として形成可能である。それによって、磁界発生ユニット全体をエミッタ真空部の外側に配置することができる。これは磁界コイルまたは永久磁石の電流供給、冷却および調整を大幅に簡単化する。同様に、薄い基板厚さと小型化のために、空間的な広がりの小さな磁界しか必要としない。この磁界は小さなコイルおよび／または小さな永久磁石によって有利に発生可能である。それによって、磁界の少なくとも一部を小さな永久磁石によって発生することができるという利点がある。小型化されたエミッタの場合の必要な抽出電圧は、一般的にほぼ１００Ｖであり、従って一般的に５０００Ｖの普通の粒子エミッタの場合の抽出電圧よりも非常に低い。それによって、関連する容積範囲内の粒子エネルギーが小さく、それに伴い界浸レンズの集束作用のために必要な磁界の強さも弱い。例えば一定の０．５Ｔの磁界で１００ｅＶの一定の粒子ビームエネルギーの場合、初期の拡散する粒子ビームは、０．２１ｍｍの距離の後で最初は平行であり、５０００ｅＶの場合にはこれは１．５ｍｍの後で初めて行われる。この距離が長ければ長いほど、粒子ビームの横方向の広がりと後続の粒子光学系の球面収差が大きくなる。これは、後続の電子光学的要素の球面収差を小さくするために、小型化されたエミッタの小さな電子エネルギーが有利であることを示す。
【００１７】
しかしながら、抽出電極に対して電圧が高められかつエミッタ電位の極性が適切である（例えば正のイオンを発生するために正の極性）場合、イオンビームを発生することができる。イオンビームの電界放出は粒子ビームの電界放出よりもはるかに高い抽出電圧と、磁気レンズのはるかに高い磁界とを必要とする。一般的に、イオンがガス相から電界放出尖端部に搬送される場合には、高いイオン流の電界放出は電界エミッタの冷却を必要とする。所望な冷却温度は一般的に、希ガスの場合−１００°Ｃ（１７３Ｋ）以下、好ましくは−２００°Ｃ（７３Ｋ）である。それによって、いずれにしても必要であるエミッタ範囲の冷却温度は、超伝導による強い磁界の発生のためにも利用可能である。
【００１８】
粒子を放射するための少なくとも１個の電界放出尖端部を有する、真空室内に配置されているかまたは真空室内に向いている少なくとも１個の粒子エミッタと、少なくとも１個の粒子エミッタに付設された、放出された粒子流を集中させるための磁界発生器とを備えている、特に電子顕微鏡またはイオン顕微鏡のような粒子光学的機器用の、粒子を電界放出するための粒子エミッタを製作する本発明に係る方法は、粒子エミッタの電界放出尖端部が、磁界発生器とは反対の基板の側の表面上または表面内に製作されたエミッタ構造体によって形成され、基板が真空室と真空室の外側にある大気室との間の隔壁としての働きをし、磁界発生器が真空室の外側で、エミッタ構造体とは反対の基板の側に配置されることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る方法の有利な発展形態では、薄い導電性層と１個または複数個の粒子エミッタが共に抽出構造体であり、この抽出構造体が粒子ビームリソグラフィックな方法によって製作される。この場合、粒子放出尖端部は粒子ビーム蒸着によってエミッタプリント導体上に製作可能である。
【００２０】
薄い導電性層の一部は抽出電極および／または例えば静電集束レンズのような他の粒子光学的な装置および／またはスチグマトールを形成している。
【００２１】
小型化された集束装置および／または検出装置を備えた多数の同じようなエミッタが狭い空間に並べて基板上に形成されていると有利である。
【００２２】
本発明の発展形態では、小型化された放出尖端部が加熱可能に形成され、電流の流れによって放出尖端部を加熱するために、給電プリント導体が基板上に形成されている。
【００２３】
本発明の他の発展形態では、基板および／または粒子エミッタが外部装置によって冷却される。これは、粒子エミッタによって希ガスイオンからイオンビームを発生するためにきわめて有利である。
【００２４】
真空室の外側に位置する大気室の圧力は、技術的な手段によって通常の大気圧よりも低くすることが可能である。それによって、より薄い基板厚さ、ひいては磁界のより強い不均一性が許容される。
【００２５】
本発明の他の有利な発展形態は他の従属請求項に記載されている。
【００２６】
本発明の他の効果、特徴および合目的事項は、図に基づく実施形態の次の説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の有利な実施形態の概略的な断面図である。
【図２】図１の有利な実施形態の一部の拡大詳細図である。
【図３】有利な実施形態の概略的な平面図である。
【図４】走査型電子顕微鏡の磁気レンズを一体化した公知の電子ビーム源の概略的な断面図である。
【図５】走査型電子顕微鏡のための公知の電子ビームヘッドの原理図である。
【図６】走査型電子顕微鏡の磁気レンズを一体化した公知の他の電子ビーム源の概略的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１〜図３には、特に電子顕微鏡またはイオン顕微鏡のような粒子光学的機器のための粒子を電界放出する本発明に係る装置の好ましい実施形態が示してある。本発明に係る装置１は真空室２内に配置されているかまたは真空室２内に向いている少なくとも１個の粒子放出エミッタ３を備えている。この粒子放出エミッタは矢印５によって概略的に示した粒子、特に電子を放出するための少なくとも１個の電界放出尖端部４を備えている。装置はさらに、少なくとも１個の粒子放出エミッタ３に付設された、放出された粒子流５を集中または集束するための磁界発生器６を備えている。本発明に従い、粒子放出エミッタ３はその電界放出尖端部４が、磁界発生器６とは反対の基板８の側の表面７上または表面内に形成されたエミッタ構造体９によって形成されている。基板８は真空室２と真空室２の外側にある大気室１０との間の隔壁として形成されている。この場合、磁界発生器６は真空室２の外側で、エミッタ構造体９とは反対の基板８の側１４に配置されている。基板８の表面７上または表面内に形成されたエミッタ構造体９は、マイクロメカニック寸法を有し、そして電界放出尖端部４は、その曲率半径ｒが５０ｎｍよりも小さく、特に２０ｎｍよりも小さく、好ましくは１０ｎｍよりも小さく、そしてさらに好ましくは５ｎｍよりも小さくなるように形成されている。磁界発生器６によって発生させられた磁界は、破線２０によって概略的に示してある。放出された粒子流５を集中または集束するための磁界発生器６によって生じた磁界の作用範囲は、約１０ｍｍよりも小さく、好ましくは約３ｍｍよりも小さく、そして特に好ましくは約１ｍｍよりも小さい。この場合、磁界発生器６は、少なくとも大部分が電界放出尖端部４の場所で抽出構造体９の表面に対してほぼ垂直である磁界を発生する。基板８は真空室２寄りのその側に、互いに電気的に絶縁された導電性の薄い層からなる多数の構造体９、１１、１７、１８と、１個または複数の電界放出尖端部４とを支持している。この電界放出尖端部は共に、粒子放出エミッタ３を形成する。この場合、基板８は絶縁体１２を介して、真空室を取り囲む、特に導電性のビーム管１３に負圧密封的に連結されている。この場合、磁界発生器６は真空室２の外側においてエミッタ構造体９とは反対側の基板８の背面１４に配置されている。磁界発生器６の寸法は約１０ｍｍよりも小さく、好ましくは約３ｍｍよりも小さい。エミッタ３の仮想の源大きさは１００ｎｍ２よりも小さく、特に１０ｎｍ２よりも小さく、そしてさらに好ましくは１ｎｍ２よりも小さい。粒子放出のためのエミッタ３の放出面積は１００ｎｍ２よりも小さく、特に２５ｎｍ２よりも小さく、そして好ましくは特に１０ｎｍ２よりも小さく、更に特に好ましくは１ｎｍ２よりも小さい。
【００２９】
電界放出尖端部４が少なくとも２つの異なる材料で作られていると有利であり、この場合特に、金属を含有する材料からなる基礎構造体１５と、高い割合の炭素と、好ましい特性を有する他の物質とを有する表面に近い層構造体１６とを備えている。この場合、少なくとも２つの異なる材料は電子ビーム蒸着によって基板８上に分離析出され、および／または材料を基板８上に蒸着することによって作られる。放出尖端部４は永久磁性材料または粒子放出の場所の磁界の強さを増大する類似の材料で製作される。その代わりに、放出尖端部４は強磁性の材料または電子放出の場所の磁界の強さを増大する類似の材料で製作可能である。基板８は常磁性材料、強磁性材料または永久磁性材料によって製作可能であり、この場合、基板表面７上に薄い絶縁層を備え、その上にエミッタ構造体９が設けられている。
【００３０】
本発明に係る粒子放出装置１は１０００Ａ／（ｃｍ２  ｓｒ  Ｖ）よりも大きな指向性ビーム値、特に５０００Ａ／（ｃｍ２  ｓｒ  Ｖ）よりも大きな指向性ビーム値および特に１００００Ａ／（ｃｍ２  ｓｒ  Ｖ）よりも大きな指向性ビーム値を有する。
【００３１】
構造体９、１１、１７、１８の導電性層は、真空室２と絶縁体１２が占める範囲から、周囲の大気に付設された側まで延在している。この場合、導電性層はそこに接触のための導電性面２１を形成している。
【００３２】
磁界発生器６は、電界放出尖端部４の場所における少なくとも大部分が抽出構造体の表面７に対してほぼ垂直である磁界を発生する。磁界発生器６は数ｍｍの寸法を有する永久磁石からなっている。磁界発生器６によって発生した磁界は、他の粒子光学的構造をそこで邪魔しないようにするために、数ｍｍよりも広く真空室２内に拡がらない。磁界発生器６は調整ユニット（図示せず）によって機械的に調整可能である。他の有利な実施形では、磁界発生器６は永久磁石および／または１個または複数個のコイルからなっている。コイルは好ましくは永久磁石から発生した磁界を微調節および空間的に調整する働きをする。永久磁石は例えば適切に形成され磁化された（例えばＣｏＳｍまたはＮｄＦｅＢなど）永久磁石材料からなっている。他の有利な実施形の場合、磁界発生器６は超伝導材料製のコイルからなっている。この実施形はイオンビーム発生のために非常に適している。磁気的な界浸レンズを生じる磁界発生器は粒子エミッタ真空室２の外側に配置可能である。
【００３３】
薄い導電性層９、１１、１７、１８と１個または複数個の電界放出尖端部４は共に、粒子エミッタ３を形成する。この場合、この粒子エミッタは粒子ビームリソグラフィックな方法ステップによって製作される。特に、粒子放出尖端部４は粒子ビーム蒸着によって製作される。薄い導電性層９、１１、１７、１８の一部は同時に、抽出器電極および／または静電式集束レンズのような他の粒子光学的装置および／またはスチグマトールを形成する。
【００３４】
基板８は大気室１０と真空室２との間の圧力差に耐えるようにするために、好ましくは１ｍｍ以上の厚さを有する。微小構造体１１の導電性層の厚さは好ましくは約１００ｎｍであり、その幅は粒子光学的な要求に応じて１μｍ〜数ｍｍの間である。この場合、放出尖端部４は高さが約１μｍで、基部の幅が１μｍよりも狭い。他のプリント導体は抽出構造体としての働きをする。小型化された集束要素および／または他の粒子光学的要素を有する多数の同じようなエミッタ３が基板８上の狭い空間に並べて形成されていると有利である。
【００３５】
他の有利な実施形の場合、小型化された集束装置と検出装置を備えた多数のこのようなエミッタ３が狭い空間に並べて使用される。これは、例えば半導体技術において、今までの大型の粒子顕微鏡によって可能である大きな試料の検査よりも、はるかに迅速で低コストの検査を可能にする。
【００３６】
他の有利な実施形態の場合、小型化された放出尖端部４が加熱される。これは好ましくは電流の流れによって給電用プリント導体を加熱することにより行われる。この場合、基板８上に同時に、電流の流れによる放出尖端部４の加熱のために必要な給電用プリント導体を形成することができる。放出尖端部４の加熱は、放出される粒子流５の安定性に対して有利に作用する。その際、本発明の効果は、基板８上に設けられた給電線を備えた加熱装置が、従来技術のヘアピン５２よりもきわめて簡単に製作可能であることにある。基板８への大きな温度損失にもかかわらず、本発明による加熱装置の形成によって、１０００°Ｃよりも高い放出尖端部４の温度を簡単に発生することができる。
【図１】
2010520581.tif 000003
【図２】
2010520581.tif 000004
【図３】
2010520581.tif 000005
【図４】
2010520581.tif 000006
【図５】
2010520581.tif 000007
【図６】
2010520581.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成21年9月7日(2009.9.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子を放出するための少なくとも１個の電界放出尖端部（４）を有する、真空室（２）内に配置されているかまたは真空室（２）内に向いている少なくとも１個の粒子エミッタ（３）と、少なくとも１個の粒子エミッタ（３）に付設された、放出された粒子流（５）を集束するための磁界発生器（６）とを備えている、特に電子顕微鏡またはイオン顕微鏡のような粒子光学的機器のための粒子を電界放出するための装置において、
粒子エミッタ（３）の電界放出尖端部（４）が、磁界発生器（６）とは反対の基板（８）の側の表面（７）上または表面内に製作されたエミッタ構造体（９）によって形成され、基板（８）が真空室（２）と真空室（２）の外側にある大気室（１０）との間の隔壁として形成され、磁界発生器（６）が真空室（２）の外側で、エミッタ構造体（９）とは反対の基板（８）の側（１４）に配置され、基板（８）の表面（７）上または表面内に製作されたエミッタ構造体（９）がマイクロメカニック的な寸法を有し、電界放出端部（４）が５０ｎｍよりも小さな曲率半径（ｒ）、特に２０ｎｍよりも小さな曲率半径（ｒ）、好ましくは１０ｎｍよりも小さな曲率半径（ｒ）、さらに好ましくは５ｎｍよりも小さな曲率半径（ｒ）を有することを特徴とすることを特徴とする装置。
【請求項２】
放出された粒子流（５）を集束するための磁界発生器（６）によって発生した磁界の作用範囲が、約１０ｍｍよりも小さく、好ましくは約３ｍｍよりも小さく、特に約１ｍｍよりも小さく、磁界発生器（６）が、少なくとも大部分が電界尖端部（４）の場所で抽出構造体（９）の表面に対してほぼ垂直である磁界を発生することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
磁界発生器（６）とは反対の基板（８）の側の表面（７）上または表面内に形成された微小構造体（１１）の導電性層（９）の少なくとも一部が、真空室（２）と絶縁体（１２）が占める領域を越えて、周囲大気寄りの領域まで延在し、微小構造体（１１）のこの導電性層（９）が電気的な接触のための導電性面（２０）を形成していることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
磁界発生器（６）が最大で数ｍｍの寸法を有する永久磁石からなり、磁界発生器（６）によって発生した磁界が、最大限の数ｍｍよりも大きく真空室（２）内に作用しないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
磁界発生器（６）が永久磁石および／または１個または複数個のコイルからなり、コイルが永久磁石によって発生した磁界を微調節および空間的に調整する働きをすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
粒子を放出するための少なくとも１個の電界放出尖端部を有する、真空室内に配置されているかまたは真空室内に向いている少なくとも１個の粒子エミッタと、少なくとも１個の粒子エミッタに付設された、放出された粒子流を集束するための磁界発生器とを備えている、特に電子顕微鏡またはイオン顕微鏡のような粒子光学的機器用の、粒子を電界放出するための粒子エミッタを製作する方法において、
粒子エミッタ（３）の電界放出尖端部（４）が、磁界発生器（６）とは反対の基板（８）の側の表面（７）上または表面内に製作されたエミッタ構造体（９）によって形成され、基板（８）が真空室（２）と真空室（２）の外側にある大気室（１０）との間の隔壁としての働きをし、磁界発生器（６）が真空室（２）の外側で、エミッタ構造体（９）とは反対の基板（８）の側（１４）に配置され、磁界発生器（６）とは反対の基板（８）の側の表面（７）上または表面内に形成された微小構造体（１１）の導電性層（９）の少なくとも一部が、真空室（２）と絶縁体（１２）が占める領域を越えて、周囲大気寄りの領域まで形成され、微小構造体（１１）のこの導電性層（９）が電気的な接触のための導電性面（１７）を形成していることを特徴とする方法。
【請求項７】
基板（８）の表面（７）上または表面内に製作されたエミッタ構造体（９）がマイクロメカニック的な寸法を有し、電界放出端部（４）の曲率半径（ｒ）が５０ｎｍよりも小さく、特に２０ｎｍよりも小さく、好ましくは１０ｎｍよりも小さく、さらに好ましくは５ｎｍよりも小さいことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
放出された粒子流（５）を集束するために磁界発生器（６）によって発生した磁界の平均飛程が、約１０ｍｍよりも小さく、特に約１ｍｍよりも小さく、磁界発生器（６）が、少なくとも大部分が電界放出尖端部（４）の場所で抽出構造体（９）の表面に対してほぼ垂直である磁界を発生することを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
磁界発生器が永久磁石および１個または複数個のコイルからなり、コイルが永久磁石によって発生した磁界を微調節および／または空間的に調整する働きをすることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2010520581.tif 000009
2010520581.tif 000010
2010520581.tif 000011
2010520581.tif 000012
2010520581.tif 000013
2010520581.tif 000014
2010520581.tif 000015
2010520581.tif 000016
2010520581.tif 000017
2010520581.tif 000018
2010520581.tif 000019
2010520581.tif 000020
2010520581.tif 000021