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Patent Searching and Data


Title:
DEVICE FOR THE FIELD EMISSION OF PARTICLES AND PRODUCTION METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/104393
Kind Code:
A3
Abstract:
The invention relates to a device and method for producing a device for the thermally induced field emission of particles for particle-optical devices such as electron or ion microscopes. The device comprises at least one particle emitter (3), which is arranged in a vacuum space (2) or is pointing thereto and has at least one field emitter tip (4) for the emission of particles, and a magnetic field generator (6) allocated to the at least one particle emitter (3) for focussing the emitted particle stream (5). According to the invention, the particle emitter (3) with its field emitter tip (4) is composed of emitter structures (9) which are produced on or in the surface (7) of the side of a substrate (8), facing away from the magnetic field generator (6). The substrate (8) is configured as a dividing wall (2) between the vacuum space (2) and the atmospheric space (10) which is located outside the vacuum space (2). The magnetic field generator (6) is arranged outside the vacuum space (2) on the side (14) of the substrate (8) facing away from the emitter structures (9).

Inventors:
SELLMAIR JOSEF (DE)
Application Number:
PCT/EP2008/001583
Publication Date:
March 26, 2009
Filing Date:
February 28, 2008
Export Citation:
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Assignee:
SELLMAIR JOSEF (DE)
International Classes:
H01J1/304; H01J1/50; H01J37/14
Foreign References:
GB1594465A1981-07-30
US20070023672A12007-02-01
Other References:
DATABASE WPI Week 199730, Derwent World Patents Index; AN 1997-330293, XP002493843
TEO K B K ET AL: "Carbon nanotube technology for solid state and vacuum electronics", IEE PROCEEDINGS-CIRCUITS, DEVICES AND SYSTEMS IEE UK, vol. 151, no. 5, 15 October 2004 (2004-10-15), pages 443 - 451, XP002494323, ISSN: 1350-2409
NIELS DE JONGE: "Brightness of carbon nanotube electron sources", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS AIP USA, vol. 95, no. 2, 15 January 2004 (2004-01-15), pages 673 - 681, XP002493842, ISSN: 0021-8979
CHEN P-Y ET AL: "Modeling of the integrated magnetic focusing and gated field-emission device with single carbon nanotube", JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY: PART B, AVS / AIP, MELVILLE, NEW YORK, NY, US, vol. 25, no. 1, 2 January 2007 (2007-01-02), pages 74 - 81, XP012102834, ISSN: 1071-1023
KUO HONG-SHI ET AL: "Preparation and characterization of single-atom tips", NANO LETTERS, ACS, WASHINGTON, DC, US, vol. 4, no. 12, 1 December 2004 (2004-12-01), pages 2379 - 2382, XP002439176, ISSN: 1530-6984
Attorney, Agent or Firm:
PAUSCH, Thomas, E. (Postfach 57, Gmunden, AT)
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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 nm 2 , und insbesondere kleiner ist als 10 nm 2 , 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 nm 2 , und insbesondere kleiner ist als 25 nm 2 , und bevorzugt insbesondere kleiner ist als 10 nm 2 , 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 einem O 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/ (cm 2 sr V), und

insbesondere größer als 5000 A/ (cm 2 sr V), und insbesondere größer als 10.000 A/ (cm 2 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.

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 -100 0 C (173 K), bevorzugt un- ter -200 0 C (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 nm 2 , und ist insbesondere kleiner als 10 nm 2 , und weiterhin vorzugsweise kleiner als 1 nm 2 . Die Emissionsfläche des Emitters 3 für die Teilchenemission ist kleiner als 100 nm 2 , und ist insbesondere kleiner als 25 nm 2 , und ist bevorzugt insbesondere kleiner als 10 nm 2 , und weiterhin insbesondere bevorzugt kleiner als 1 nm 2 .

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/ (cm 2 sr V), und insbesondere von größer als 5000 A/ (cm 2 sr V), und insbesondere von größer als 10.000 A/ (cm 2 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.