【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种场发射型电子源和使用该电子源的带电粒子束装置。更具体地说，本专利技术涉及热场发射阴极，其在电子显微镜、半导体电子显微镜设备、临界尺寸检验工具、电子束测试器、俄歇电子能谱仪、电子束光刻设备或其它电子束相关系统中作为电子源的应用。
技术介绍
1、电子源或电子枪(也称为电子发射器)是使用在部分真空管中的电子元件，可产生具有精确电子能量的窄束准直电子束。它最大的应用是在阴极射线管(crt)，用于几乎所有的电视机，计算机显示器和示波器，但平板显示器除外。它们也用于场发射显示器(fed)。场发射显示器本质上是由一排排非常小的阴极射线管构成的平板显示器。它们还用于微波线束真空管，如速调管、感应输出管、行波管和回旋管，以及电子显微镜和粒子加速器等科学仪器。电子枪可根据电场产生方式(直流或射频)、发射机制(热发射、光阴极发射、冷场发射、等离子体发射)、聚焦方式(纯静电或磁场)或电极数量进行分类。
2、热发射阴极可用在诸如扫描电子显微镜、透射电子显微镜、半导体检测系统和电子束光刻系统等装置中作为电子源。在这种装置中，电子源发出的电子，被会聚成高能量密度的电子束。为了便于形成这样的电子束，电子源激发出在狭窄能带内的大量电子。电子从电子源的很尖的表面逸出成很小的电子束锥角。电子源可以用亮度来表征，亮度定义为电子经过的单位面积与单位立体角的电子束流。
3、通常，能量势垒阻止电子离开发射体表面的原子。克服势垒所需的能量称为表面逸出功(功函数)。热发射电子源主要依靠热能以克服能量势垒并发射电子。然而，在许多应用中，热
4、另一种类型的电子源是冷场发射源，其在室温下工作，依靠强电场使电子由于隧道效应穿透表面势垒而逸出。典型的冷发射源包括窄针尖端，在该针尖处电子离开发射体表面而发射到针尖周围的真空中。虽然冷场发射源比热发射源小得多，亮度也大得多，但冷场发射源的不稳定性在许多应用中会引起很多问题。
5、另一种类型的电子源被称为肖特基发射阴极或肖特基电子源。肖特基电子源利用加热的发射端的涂层降低其功函数。该涂层通常包括非常薄的，例如单层，活性金属层。在肖特基发射模式中，肖特基电子源利用热和电场的组合发射电子，这些电子显得像是从针尖内的虚点源发射出来的。随着发射极的温度和电场的变化，肖特基电子源将以其它发射模式或多个发射模式组合的方式发射。肖特基电子源的亮度高，比冷场发射极更稳定，更容易控制。由于肖特基电子源的性能和可靠性优势，其已成为现代电子束系统中常用的电子源。
6、图1a示出了第5,449,968号美国专利(专利技术人为terui等人)中描述的传统肖特基电子源12。如图1b所示，肖特基电子源12是热发射阴极的一部分。肖特基电子源12包括支撑和加热发射体16的灯丝14；发射体16具有发射电子的尖端22；以及抑制电极51，以防止电子从尖端22以外的位置发射出来。如图1b所示，加热电流通过电极61流到灯丝14。通常在大约1800k的温度下，肖特基电子源12通过尖端22开始工作。发射体16通常由单晶钨丝制成，取向为<100>、<110>、<111>或<310>。发射体16也可以由其它材料制成，例如钼、铱或铼。发射体16覆盖有涂层材料以降低其功函数。此类涂层材料可包括例如锆、钛、铪、钇、铌、钒、钍、钪、铍或镧的化合物，例如它们的氧化物、氮化物或碳化合物。例如，在w(100)取向钨丝尖端表面覆盖氧化锆可将发射体表面的功函数从4.5ev(电子伏特)降低到2.8ev。通过降低发射电子所需的能量，发射体16上的涂层使其成为亮度更高的电子源。
7、肖特基电子源12工作温度高，使得涂层材料易于从发射体16蒸发，并且必须不断补充以保持尖端22处的功函数足够低。常规技术是，提供涂层材料的储层28以补充发射体16上的涂层。来自储层28的涂层材料沿表面通过发射体16的主体向尖端22扩散，从而不断补充尖端22上的涂层。在肖特基电子源12的工作温度下，不仅发射体16和尖端22上的涂层材料蒸发，而且涂层材料也直接从储层28蒸发，从而耗尽。而且，储层28中的涂层材料的蒸发速度随温度呈指数增加。因此，储层28的使用寿命取决于其中的材料的数量及其温度。
8、当储层28中的涂层材料耗尽时，肖特基电子源12不再正常工作，需要关闭电子束系统以更换发射体16或整个肖特基电子源单元12。此过程耗时且成本高昂。因此，期望尽可能延长储层28的使用寿命，从而延长发射体16的使用寿命。
9、由于以下缺点，现有电子源中使用的涂层材料如zro不能令人满意：(1)zro不容易扩散到尖端；(2)zro扩散的距离过长；(3)zro上会形成碎屑或裂纹；(4)氧化锆损耗过大；(5)电子源的实际使用寿命不够长；(6)电子源内温度较高；(7)在电子源内部温度越高，尖端尺寸越大；(8)分辨率较低；(9)较低的角电流密度。
10、另一方面，发射体16所在的真空环境中氧气量不合适。例如，使用氧气太少的电子源会令人不满意，因为存在以下缺点：(1)对于热场发射型电子源，氧气不能有效促进zro的扩散；(2)lab6晶棒和ceb6晶棒尖端的氧清洗无效；(3)冷场发射型电子源钨棒的氧清洗效果也不理想；(4)电子源内部要求较高的温度；(5)电子源内部温度越高，尖端尺寸越大；(6)分辨率较低；(7)较低的角电流密度。
11、因此，有必要克服上述问题。本专利技术将提供用于解决这些问题的解决方案。
技术实现思路
1、为了实现上述目的，本专利技术采用以下的技术方案：
2、根据本专利技术实施例的第一方面，提供一种场发射电子源，其包括(i)单晶钨丝，其具有从丝主体延伸出来的尖端，和(ii)在尖端的部分表面或整个表面上形成的zro。除了所述尖端之外，单晶钨丝的其余部位有或没有zro。在该场发射电子源中，(1)丝主体在紧邻所述尖端的位置具有直径db，(2)所述尖端被锐化，使其直径dt沿长度lt方向从略小于db的值非线性减小到尖端的顶点处的最小值dt 0，dt<db。
3、根据本专利技术实施例的第二方面，提供一种场发射电子源，其包括(i)单晶钨丝，其具有从丝主体延伸出来的尖端，以及(ii)仅仅在尖端的部分表面或整个表面上形成的zro。丝主体在紧邻所述尖端的位置具有直径db，并且所述尖端被锐化，使其直径dt(dt<db)逐渐减小(线性或非线性)到在所述尖端的顶点处的最小值dt0。特别地，在单晶钨棒上，除了锐化的端部外，没有形成zro。除了所述尖端之外，单晶钨丝的其余部位没有zro。
4、根据本专利技术实施例的第三方面，提供一种场发射电子源，其包括置于气体介质中的晶体丝。所述晶体丝为单晶钨丝、lab6晶体棒或ceb6晶体棒；其中，气体介质由氧气和其它气体(非氧气体)组成，并且其中氧气和其它气体之间的摩尔比大于1:1、10:1、50:1或100:1。
5、根据本专利技术实施例的第四方面，提供一种带电粒子束装置，其包括如以下a本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种场发射电子源，其特征在于包括置于气体介质中的晶体丝，所述晶体丝为单晶钨丝、LaB6晶体棒或CeB6晶体棒；其中，气体介质由氧气和非氧气体组成，并且其中氧气和非氧气体之间的摩尔比大于1:1、10:1、50:1或100:1。
2.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于所述其它气体包括H2、N2、CO或其混合物。
3.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于所述气体介质在所述电子源内保持约10-11托至10-8托的压力。
4.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于还包括真空泵和诸如带有释放阀的氧气罐的氧气供应器，其中所述气体介质通过以下步骤获得：
5.如权利要求4所述的场发射电子源，其特征在于：所述第一压力P1在10-12托～10-9托的范围内，所述第二压力P2在10-11托～10-8托的范围内，并且P2＞P1。
6.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于：所述晶体丝具有从丝主体延伸的锐化末端，所述丝主体在紧邻所述尖端的位置具有直径Db，并且所述尖端被锐化，使其直径Dt逐渐减小到在所述尖端的顶点处的最小值
7.如权利要求6所述的场发射电子源，其特征在于：所述晶体丝选自：尖端具有W(110)取向的发射面的单晶钨丝、尖端具有W(310)取向发射面的单晶钨丝、LaB6晶体棒或CeB6晶体棒；其中，所述电子源用作冷场发射电子源。
8.如权利要求6所述的场发射电子源，其特征在于：(1)所述晶体丝为单晶钨丝，(2)沿所述钨丝的延伸方向，所述尖端的长度为Lt；(3)所述尖端被锐化，使其直径Dt沿长度Lt方向从略小于Db的值非线性减小到尖端的顶点处的最小值Dt0，Dt<Db；以及(4)在尖端的部分表面或整个表面上形成有ZrO；其中，除了所述尖端之外，单晶钨丝的其余部位有或没有ZrO。
9.如权利要求8所述的场发射电子源，其特征在于：所述尖端在任意位置P处的直径Dt小于在相同位置P处的假定性参考直径Dt，所述假定性参考直径是指：当利用例如交流电解腐蚀所述尖端后，尖端的直径Dt沿长度Lt方向会从略小于Db的值线性减小到在尖端的顶点处的最小值Dt0，这种情况下在特定位置P的尖端的直径就是假定性参考直径。
10.如权利要求8所述的场发射电子源，其特征在于：所述尖端通过直流电解腐蚀而锐化。
11.如权利要求10所述的场发射电子源，其特征在于：所述直流电解腐蚀是对W(100)位向的钨丝进行直流电解腐蚀；或者其中单晶钨丝在所述尖端具有W(100)位向的发射面。
12.如权利要求8所述的场发射电子源，其特征在于：所述电子源为热场发射电子源。
13.如权利要求8所述的场发射型电子源，其特征在于：所述ZrO形成在所述尖端的紧邻所述丝主体的一段表面上，所述一段表面沿所述钨丝的延伸方向具有(30～80)％×Lt的长度。
14.如权利要求8所述的场发射电子源，其特征在于：所述Db的取值为0.1～0.2mm，所述Lt的取值为0.15～0.2mm。
15.如权利要求6所述的场发射电子源，其特征在于：(1)所述晶体丝为单晶钨丝；(2)仅仅在尖端的部分表面或整个表面上形成的ZrO；其中，除了所述尖端之外，单晶钨丝的其余部位没有ZrO；其中，直径Dt沿长度Lt方向从略小于Db的值线性或非线性减小到尖端的顶点处的最小值Dt0。
16.如权利要求15所述的场发射电子源，其特征在于：沿所述钨丝的延伸方向，所述尖端的长度为Lt；其中，直径Dt沿长度Lt方向从略小于Db的值非线性减小到尖端的顶点处的最小值Dt0。
17.如权利要求16所述的场发射电子源，其特征在于：所述尖端通过直流电解腐蚀而锐化。
18.如权利要求16所述的场发射电子源，其特征在于：所述尖端在任意位置处的直径Dt小于在相同位置P处的假定性参考直径Dt，所述假定性参考直径是指假设尖端的直径Dt沿长度Lt方向从略小于Db的值线性减小到在尖端的顶点处的最小值Dt0，在特定位置P的尖端的直径。
19.如权利要求18所述的场发射电子源，其特征在于：所述直流电解腐蚀是对W(100)取向钨丝进行直流电解腐蚀，所述单晶钨丝在尖端具有W(100)取向的发射面。
20.如权利要求15所述的场发射电子源，其特征在于：所述电子源为热场发射电子源。
21.如权利要求15所述的场发射电子源，其特征在于：所述尖端沿所述钨丝的延伸方向具有长度Lt；其中，所述直径Dt沿所述长度Lt方向从略小于Db的值线性减小到所述尖端的顶点处的最小值Dt0。
22.如权利要求21所述的场...
【技术特征摘要】
1.一种场发射电子源，其特征在于包括置于气体介质中的晶体丝，所述晶体丝为单晶钨丝、lab6晶体棒或ceb6晶体棒；其中，气体介质由氧气和非氧气体组成，并且其中氧气和非氧气体之间的摩尔比大于1:1、10:1、50:1或100:1。
2.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于所述其它气体包括h2、n2、co或其混合物。
3.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于所述气体介质在所述电子源内保持约10-11托至10-8托的压力。
4.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于还包括真空泵和诸如带有释放阀的氧气罐的氧气供应器，其中所述气体介质通过以下步骤获得：
5.如权利要求4所述的场发射电子源，其特征在于：所述第一压力p1在10-12托～10-9托的范围内，所述第二压力p2在10-11托～10-8托的范围内，并且p2＞p1。
6.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于：所述晶体丝具有从丝主体延伸的锐化末端，所述丝主体在紧邻所述尖端的位置具有直径db，并且所述尖端被锐化，使其直径dt逐渐减小到在所述尖端的顶点处的最小值dt0。
7.如权利要求6所述的场发射电子源，其特征在于：所述晶体丝选自：尖端具有w(110)取向的发射面的单晶钨丝、尖端具有w(310)取向发射面的单晶钨丝、lab6晶体棒或ceb6晶体棒；其中，所述电子源用作冷场发射电子源。
8.如权利要求6所述的场发射电子源，其特征在于：(1)所述晶体丝为单晶钨丝，(2)沿所述钨丝的延伸方向，所述尖端的长度为lt；(3)所述尖端被锐化，使其直径dt沿长度lt方向从略小于db的值非线性减小到尖端的顶点处的最小值dt0，dt<db；以及(4)在尖端的部分表面或整个表面上形成有zro；其中，除了所述尖端之外，单晶钨丝的其余部位有或没有zro。
9.如权利要求8所述的场发射电子源，其特征在于：所述尖端在任意位置p处的直径dt小于在相同位置p处的假定性参考直径dt，所述假定性参考直径是指：当利用例如交流电解腐蚀所述尖端后，尖端的直径dt沿长度lt方向会从略小于db的值线性减小到在尖端的顶点处的最小值dt0，这种情况下在特定位置p的尖端的直径就是假定性参考直径。
10.如权利要求8所述的场发射电子源，其特征在于：所述尖端通过直流电解腐蚀而锐化。
11.如权利要求10所述的场发射电子源，其特征在于：所述直流电解腐蚀是对w(100)位向的钨丝进行直流电解腐蚀；或者其中单晶钨丝在所述尖端具有w(100)位向的发射面。
12.如权利要求8所述的场发射电子源，其特征在于：所述电子源为热场发射电子源。
13.如权利要求8所述的场发射型电子源，其特征在于：所述zro形成在所述尖端的紧邻所述丝主体的一段表面上，所述一段表面沿所述钨丝的延伸方向具有(30～80)％×lt的长度。
14.如权利要求8所述的场发射电子源，其特征在于：所述db的取值为0.1～0.2mm，所述lt的取值为0.15～0.2mm。
15.如权利要求6所述的场发射电子源，其特征在于：(1)所述晶体丝为单晶钨丝；(2)仅仅在尖端...
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