用于离子化气体的X射线源的制作方法

本发明涉及一种用于离子化气体的x射线源，其中在真空腔室中具有场发射尖端阵列。

背景技术：

此类用于离子化气体的x射线源由多个单独的x射线源构成，所述多个单独的x射线源利用杆状载体纵向布置成行并被供应所需电压。此处x射线源在空气流中以这样的方式安装：它们对杆状布置的周围空气进行离子化。已经以这种方式进行离子化的空气可以用于在临界制造区域中中和静电电荷。

例如，在微电子工业的制造安装的洁净室中，这种x射线源可以插入在通常垂直的空气流中，以便利用离子化的气体中和物件上的静电电荷。这种中和是必要的，因为静电电荷导致颗粒沉降增加。另一方面，不受控制的放电可能引起对微结构的损坏。静电放电称为esd(electrostaticdischarge)。还使用离子发生器来在隔间或其它空间内产生不同带电离子的预定离子密度，其中离子的重组通常在离子已经产生之后立即开始。

常用的离子化系统利用高压在尖端电极处经由气体放电产生离子。在这个过程中，使用直流电压以及交流电压二者，或者所谓的脉冲直流电压。因而，为了最小化正负离子的重组，使用不同的方法。这些离子发生器的基本方面是实现正负离子的平衡率。

因而，de60034040t2公开了一种离子产生器设备，其中使用了由钛、铂、钛-铂化合物制成或由未生锈的金属制成或者由合金制成的彼此紧挨着的多个直立发射针。所述发射针由圆柱形芯构成，所述圆柱形芯由复合材料包封，所述复合材料由包含玻璃纤维的不饱和聚酯化合物制成。每一个针尖末端在锥形压痕中的外壳的外部，所述锥形压痕可以被栅格覆盖。在针尖处，产生沿着针的强电压场或电位差，以便确保通过发射尖端产生电子。出于这个目的，针直接连接至高压为4.3-6kv的高压源。针尖可以另外涂覆有金膜。

此外，de69111651t2公开了一种洁净室电晕空气离子发生器，其具有连接至高压源的至少一个电晕尖端。电晕尖端位于一端封闭的管内，并且无水的富氢气体围绕尖端流动。此电晕空气离子发生器使得能够去除微污染物，诸如可能在电晕离子发生器中形成的硝酸铵积聚物。

在de69818364t2中，使用了锗发射电极，以便在集成电路制造期间将金属污染减少至最低可能等级。发射极电极具有末端为圆锥形半径的尖端。锗发射极是半导体的并具有大约0.1-100ωcm的比电阻。为了实现这些目标，锗发射极优选地掺杂了锑。

us5729583涉及一种用于放射诊断的微型低能量x射线源，其中发射尖端阵列布置在阴极表面上的真空腔室中，并且其中平坦的栅极布置设置在发射尖端阵列上方。金属膜形式的相关联阳极在真空腔室中沿着内壁及在发射尖端阵列之前的准直仪前面延伸。发射尖端位于平坦栅极布置的圆柱形开口中，并且绝缘层在阴极表面与栅极布置之间延伸。

发射尖端阵列的类似构造公开在us3665241中。

de102009031985a1公开了一种具有多个电极对的离子发生器，所述多个电极对具有不同的电极长度，布置在圆周外围并突出至空气流中，其中正负离子流不重叠。以这种方式，减少通过新的重组中和的离子的数量，使得改善要保护的工件上的放电效率。

然而，在大多数情况下，所使用的系统是杆状，其中，在较低侧，集成在高压引线中的发射极尖端向外突出。

us6807044b1公开了此类系统的典型示例。此处，杆状支撑杆支撑彼此紧挨着的多个尖的发射极电极，其中每一个尖的发射极电极容纳在一端敞开的管状防护体内。支撑杆由外壳包封，其中容纳所需电源。

类似的杆状离子化设备还在wo2009/031764a2中和jp2010218696a中进行了描述。

这种离子化设备常常布置在由超净空气装置产生并引导到要保护的工件诸如半导体晶片或其它敏感制造设备上的空气流中。

以高压操作的这种气体放电离子化系统具有多个劣势。因而，所产生的正负离子之间的平衡在很大程度上取决于高压电源和电极的发射极的几何布置。即，存在脉冲式或交流高压系统，其中正负离子按时间序列连续地产生。

直流电压系统具有正负高压的部分偏移发射极电极。从而，各自的极性离子在不同的位置产生，这转而导致极性分布的不平衡，并因此导致充电过程在影响范围内。这些过程在每种情况下是依赖位置的充电过程。

此外，长期极性平衡是不稳定的，因为发射极电极在一段时期内会改变。因此必须不断地检查并重新调整高压离子发生器。

除了由于不同离子浓度而引起的影响，还存在对发射极上的产生离子的高压的不期望影响，其常常超过15kv。

特定地，在待中和的产物接近离子发生器的安装情况下，有时由于电场影响而产生相当大的电位差。

此外，在发射极电极本身，在超净空气条件下，微粒污染由于电化学转化过程而形成，这影响了微结构工业的超净制造的质量。高压离子发生器的发射极因此必须进行定期的清洁，这与生成顺序的中断相关联。

关于越来越小的结构，基板对静电电荷的敏感度继续增加。关于今天的结构大小，对所使用的高压离子发生器的限制是显而易见的并且寻求其它选择。

因而，利用低能量x射线辐射产生空气离子的离子化系统可商购获得。此处，低于5kev的能量范围越来越多地被使用。使用x射线管的这些系统具有以下优势：它们对外面不产生电场影响并且离子极性平衡一直完全均衡。这种情况出现的原因在于以下事实：通过分开电子与相关联的剩下的正离子核，利用离子化辐射产生空气体积中的离子。除此之外，没有形成其它污染。

这种系统的劣势一方面是相对高价，而且另一方面是所使用的x射线管的低使用寿命。在当前使用的系统中，利用了具有白炽阴极的x射线管，一般来说，其具有大约一年的使用寿命。这意味着x射线管必须每年更换，这耗费时间并且是昂贵的。

这些系统的额外劣势在于其非常大并且因而常常很难集成在装置中，并且此外，其包含相对昂贵的控制电子器件和需要对白炽阴极进行监控。

在wo01/84683a2中公开了这种内嵌气体离子发生器的示例。这种离子发生器包括具有用于制造设备的空气通道的加压空气源和集成在空气通道中的x射线辐射源。

技术实现要素：

在本情况下，本发明的潜在目的是创造一种用于离子化气体的设备，其一方面将杆状高压离子发生器的简单的、紧凑的且节约成本的设计和布置与低能量x射线离子发生器的优势相结合，以及另一方面避免已知x射线系统的劣势。

实现所述目的，其中具有场发射尖端的场发射尖端阵列布置在真空区域中，所述真空区域由罩和载板的一部分包封，其中具有场发射尖端的场发射尖端阵列相对于载板电绝缘布置并且接线作为连接至高压源的阴极，其中对于x射线辐射是透明的透射窗布置在居中于场发射尖端阵列上方的罩中，并且其中罩接线作为阳极。

场发射尖端阵列由平坦的立方体基体构成，多个场发射尖端从所述基体突出。

场发射尖端优选地设计为尖椎或棒的形状；其从立方体基体垂直突出以及以规则阵列分散布置在基体的表面上方。

特定地，为了避免高场强，在研发本发明中发射尖端的末端为圆头。

场发射尖端阵列由金属或半导体材料构成。

在本发明的特定设计中，场发射尖端由绝缘体包封，包封方式为：场发射尖端的点周围的区域以火山口形状凹入，并且场发射尖端通向火山锥状的套环中，所述套环沿朝向场发射尖端的点的方向渐缩并同心地围绕场发射尖端以形成栅极并且周向限定火山口。

场发射尖端的点可以从套环突出。

此外，在邻近的套环之间，形成槽，其中除了位于套环中的火山口之外，场发射尖端阵列的整个表面涂覆有金属层。

继续本发明，罩以真空密封的方式连接至载板并且由金属构成，其中载板连接至地电位。

此外，透射窗设计为铍表面，其在真空侧上用诸如钨的合适的摩擦材料涂覆。代替作为透射表面的铍的是，还可以使用诸如金刚石的其它合适材料。

场发射尖端阵列布置在电极上的真空区域中并电连接至所述电极，其中电极延伸穿过绝缘主体。

为了能够控制阳极电流，栅极电极经由导线桥以导电的方式连接至场发射尖端阵列的金属层，其中紧挨着电极的栅极电极穿透通过绝缘主体。

场发射尖端的点的半径优选地为2nm，使得实现在朝向阳极的方向上的高场线密度。

此外，施加于栅极电极的电压为20-100v，以及x射线源的操作电压为<5kv并且在场发射尖端阵列处接线作为在-4980与-4900v之间的阴极。

小型化x射线源特别适用于与杆状多部件支撑系统一起使用，所述支撑系统由中空杆状支撑轮廓构成，在纵向侧，由金属构成的支撑轮廓以绝缘的方式插入所述杆状支撑轮廓，并且在支撑轮廓的纵向延伸部中彼此紧挨着间隔开的多个x射线源紧固至所述杆状支撑轮廓，紧固方式为：电极延伸至支撑轮廓中并且连接至沿着支撑轮廓延伸的高压引线，以及x射线源突出至支撑系统的环境中，并且其中支撑轮廓的内部空间填充有高压绝缘材料。

因此，在本发明中，使用将微型尖端阵列用作阴极且本身对于其它应用是已知的小型化、低能量x射线源。由于将这种尖端阵列用作阴极，其基于尖端处高场强的量子力学隧道效应产生电子，所以可以确保几年的有用寿命。此外，使得设计用于小组件的大量生产的微电子制造方法的使用是可行的，从而得到可接受的成本。

利用x射线源的小型化，则证实为杆状的构造是可行的，使得简单的电源和监控电子器件可以集成以用于可以布置成行的任意数量的x射线源。

附图说明

下文将在实施方案示例中更加具体地对本发明进行解释。在相关联的附图中，附图示出了：

图1:在真空区域内具有场发射尖端阵列的小型化x射线源，

图1a：根据图1的x射线源，其具有“栅极”布置；

图2:根据图1a的作为杆状支撑系统的组件的x射线源的设计，以及

图3:根据图1的场发射尖端阵列的横截面。

具体实施方式

在图1中，展示了小型化的低能量x射线源，其具有安装在绝缘主体5上方的电极6上或所述绝缘主体上的场发射尖端阵列1。场发射尖端阵列1与电极6(阴极)之间的电和机械连接通过芯片接合或在导电粘合剂的帮助下来执行。绝缘主体5齐平地引入并且以真空密封方式进入金属载板4或布置在所述载板上，其中电极6穿透通过绝缘主体5。电极6被供应合适的高压源的必要阴极电压。

场发射尖端阵列1由立方体基体18构成，立方体基体18由金属或半导体材料制成，布置成阵列彼此有规则地间隔的多个发射尖端从所述基体垂直突出。发射尖端可以设计为尖椎或棒的形状并且可以具有圆头。这种场发射尖端阵列1可以通过微结构化技术的制造方法进行制作，如从半导体技术得知的。

对于场发射尖端阵列1周围的真空区域3b的形成，所述真空区域由罩3包封，罩3由金属制成并以导电和真空密封方式连接至载板4。罩3用作阳极并连接至接地。根据本发明的x射线源的设计基本上对应于用于功率晶体管的外壳的设计，诸如to-5或to-39外壳。

为了确保与目前为止使用的白炽阴极相比场发射尖端阵列1的非常好的使用寿命和使用期限，必须避免由于残余的气体原子引起的任何溅射工艺。这意味着真空越好，有用寿命越长。因此，在实践中，应当提供<10^-6hp的真空。

靠近x射线源的传统透射窗2(诸如铍表面)的孔3a例如位于居中于场发射尖端阵列1上方的罩3中并在真空侧上用作为摩擦材料的钨涂覆，其中其它合适的材料也可以用作摩擦材料。还可以将孔3a接近其它合适的对于x射线辐射是透明的窗变型。罩3和载板4处于相同电位并连接至高压源的阳极电位，即连接至接地或地电位。

透射窗2还可以由对于x射线辐射是令人满意的透明的材料构成，举例来说，诸如金刚石。此外，载板4具有紧固孔4a，使得其可以被拧紧或以其它方式紧固至杆状载体(未展示)，这是出于良好的热耗散目的。

为了确保足够的高压爬电距离，在大气侧，电极6用绝缘主体5下面的绝缘材料7防护。

场发射尖端阵列1还可以具有“栅极”布置，以用于控制阳极电流，如图1a和图3中图解式地展示。

这种“栅极”布置可以通过分开的栅极电极8来实施，栅极电极8通过导线桥9的导线接合和制作以导电方式连接至场发射尖端阵列1。栅极电极8紧挨着电极6布置，穿透通过绝缘主体5并突出至真空区域3b。在绝缘主体5下面，即在大气侧，栅极电极8还用绝缘材料7防护。另外，这种变型对应于根据图1的设计。

出于不得不利用电位分布的原因，场发射尖端阵列1的尖端相对于阳极(即，透射窗2的铍表面)之间的间隔应当比场发射尖端阵列1的尖端和由以下所描述的套环形成的栅极电极9之间的间隔大很多。尖端栅极间隔在100和500nm之间。这意味着阳极间隔至少为100-500μm，其中出于必须利用机械处理的原因，优选地选择1-3mm的间隔。

在图3中，展示了对应于图1的构造在基体18上的场发射尖端阵列1的细节的横截面，其中场发射尖端19布置成规则阵列。场发射尖端19在所有侧上基本上用绝缘体20(诸如sio2)防护，其中仅正好在场发射尖端1的点周围的区域以火山口的形式不受防护。

场发射尖端19延伸通过绝缘体20并利用其各自的点通向套环21中，套环21由导电材料制成，并沿场发射尖端19方向以火山锥的形式渐缩并同心地围绕场发射尖端19的从火山口(crater)23突出的点以形成栅极。火山口23同时由套环21周向限定。场发射尖端19可以从套环21突出，也就是说，它们可以突出在所述套环之上。围绕场发射尖端19的套环21的边缘连接至栅极8。

每一种情况下套环21之间的区域形成延伸至各自邻近的套环的槽，其中除了位于套环21中的火山口23之外，场发射尖端阵列1的整个表面涂覆有金属层24。

图2示出了根据图1a的作为杆状支撑系统的组件的x射线源的设计，其中多个x射线源彼此紧挨着布置在支撑系统的纵向延伸部中。根据本发明的小型化的x射线源的杆状支撑系统由细长的支撑轮廓10构成，支撑轮廓10由金属或塑料制成，其可以例如通过挤压产生。如果提供用于控制阳极电流的栅极电极8，那么用于阴极电压并用于栅极电压的必需的电源位于支撑轮廓10的适当位置处。

根据本发明的小型化的、低能量x射线源基于高场强的量子力学隧道效应产生电子，其中可以确保几年的有用寿命。小型化x射线源的制造可以执行而没有问题并且使用微电子制造方法是节约成本的。

根据图1或1a的小型化x射线源利用轮廓10紧固在杆状多部件支撑系统上，如图2所展示。支撑轮廓10设置在一侧上——图2的顶部——具有紧固凹槽10a，使得支撑轮廓10可以紧固在合适的固定保持架上。在面向紧固凹槽的一侧，提供根据本发明的用于紧固小型化x射线源的挤压的金属紧固轮廓11，金属紧固轮廓11布置在塑料轮廓12中，塑料轮廓12嵌入支撑轮廓10的凹处中并从而产生支撑轮廓10与紧固轮廓11之间的电绝缘。紧固轮廓11与支撑轮廓10之间的电绝缘仅在后者由金属构成的情况下是必要的。

根据本发明的小型化x射线源按预定间隔紧固在紧固轮廓11上，紧固轮廓11除了机械紧固之外，还用于x射线源的阳极的电接触，即罩3和载板4的电接触，阳极一般处于地电位。此处，电极6、8延伸至支撑轮廓10中并且连接至沿着支撑轮廓11延伸的高压引线13、15。x射线源此处从支撑系统向外突出到环境中。

利用塑料轮廓12，可以经由连接至紧固轮廓的测量电子器件测量阳极电流，其中所述测量电子器件连接至地电位。以这种方式，可以对小型化x射线源的操作实施监控。

在支撑轮廓10中，可见纵向延伸用于阴极的高压引线13和任选地用于栅极电极8的高压引线15。此外，支撑轮廓10的内部空间通过用高压绝缘材料17铸造来连接。此外，电极6和栅极电极8插入在对应的衬套14和16中，衬套14和16电连接至高压引线13和15。

x射线源的操作电压由于实际考虑应当在<5kv的范围中，因为在这个能量范围的管理支出是明显较低的，因为在这个范围产生的离子化射线通常不认为是x射线辐射源。然而，如果必要的话，根据本发明的x射线源还可以在较高操作电压下操作而没有问题。

在根据本发明的x射线源操作期间，由于尖端处的高场强，电子通过场发射从场发射尖端阵列1的尖端提取，其中在尖端处的场强通过在尖端与栅极之间的电位差以及通过其几何布置来确定。

例如，10^9v/m的场强用2nm的尖端半径、在尖端平面上直径为100nm的环形栅极以及相对于尖端为60v的栅极电位来实现。

通过阴极与阳极之间的高压加速至所述高压，已经退出的电子然后在栅极后面加速。加速高压在x射线源的操作期间保持恒定，因为最大辐射能量由此电压来确定。

栅极电压在20-100v的范围内应当是可调整的，其中待测量的阳极电流用作控制参数。阴极和栅极处于<-5000v(阴极尖端)或-4980至-4900v(栅环)，其中阳极处于地电位。阴极栅极电压经由控制器调节的光耦合器来进行电流分离。

用于离子化气体的x射线源

参考符号列表

1场发射尖端阵列

2透射窗

3罩

3a孔

3b真空区域

4载板

4a紧固孔

5绝缘主体

6电极

7绝缘材料

8栅极电极

9导线桥

10支撑轮廓

10a紧固凹槽

11紧固轮廓

12塑料部分

13高压引线

14衬套

15高压引线

16衬套

17高压绝缘材料

18基体

19场发射尖端

20绝缘体

21导电栅极

22栅极

23火山口

24金属层