电子束控制方法、电子束生成设备、使用该方法的设备，以及发射器技术

本发明专利技术提供一种具有在电子束发射侧曲率半径为２．０μｍ的锥端的肖特基发射器。因为曲率半径大于等于１μｍ，电子枪的焦距可以比在曲率半径在０．５μｍ到不超过０．６μｍ的范围的传统实践中的更长。发现焦距粗略地和曲率半径成正比。因为角电流强度（每单位立体角的束流）和电子枪焦距的平方成正比，可以在发射器半径可实现的增加内把前者提高一个数量级。更高的角电流强度意味着来自电子枪更大的可用束流，而本发明专利技术使肖特基发射器能够用于要求微安量级的相对高的束流的应用中，例如微焦点Ｘ射线管、电子探针显微分析仪和电子束光刻系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电子束控制方法、电子束生成设备、使用该方法的设备，以及发射器。
技术介绍
在基于电子束的仪器中的电子枪使用两种阴极(发射器)热电子发射器和场发射器。热电子发射器使用钨丝、单晶体或者六溴化镧(LaBj或六溴化铈(CeB6)的烧结复合物的尖发射器。加热发射器并引起发射热激电子来从而产生电子束。场发射器使用在电子束发射侧电极上的削尖的锥端，并通过使用隧道效应或由施加到锥端的强电场引起的肖特基效应发射电子来从而产生电子束。注意在小区域中实行分析或观察的情况下，为了减小其直径需要具有高亮度的电子束(这里，"亮度"定义为电子束的每单位立体角的电流强度)。因此，在近年来，在扫描电子显微镜(以下也简称为"SEM")和电子探针显微分析仪(以下也简称为"EPMA")还有其它基于电子束的仪器中；传输显微镜、电子束光刻、检测仪器中等，在小区域中分析或观察上采用了场发射器代替传统使用.的热离子发射器从而提高空间分辨率。有两种场发射器，冷场发射器和热场发射器。在冷场发射器的情况下，通常用单晶体细钨丝制作发射器锥端并在室温下施加强电场，从而在单晶体中用隧道效应发射电子来产生电子束。在热场发射器的情况下，在施加强电场时加热由涂敷有氧化锆的单晶体细钨丝制作的发射器锥端，强电场用肖特基效应使电子发射，从而产生电子束。因为热离子发射器使用上述肖特基效应，也称为肖特基发射器。在肖特基发射器中，涂敷发射器锥端的氧化锆层具有减小晶体表面功函数的效果，所述晶体表面在锥端形成并且是晶面(crystal plane) (100)。因此，从锥端发射和抽出均匀的强电子束。注意在美国专利 No. 145042和145043中公开了肖特基发射器技术。然而，在场发射器的情况下，如上所述，电流密度高于热电子发射 器的电流密度。在场发射器的情况下，如图9B所示(图9B表示肖特基 发射器)，和图9A的热电子发射器相比，从电子枪结构中发射电子束的 电子源直径非常小。在热电子发射器的情况下电子源直径为几十个ym， 而在肖特基发射器代表的场发射器的情况下，电子源直径为几十个nm。 如果用dSTE代表热电子发射器的电子源面积，而用dSpE代表场发射器的 电子源面积，那么两个面积互相差异最多到六个数量级。在另一方面，如果用dQ和束流值(用Ib代表电流值)代表电子束 的立体角，电子束的立体角dQ随着需要的束流值Ib变化。如果用B代 表电子束轴向亮度，通过电子源面积dS和立体角dQ由下式(1)给出 束流值L。Ib=BX (dSXdQ) ...... (1)在需要更大束流的情况下，从式(1)可知对于固定亮度和源面积， 有效立体角dQ增大。肖特基发射器在亮度上比热电子发射器高得多(大约三个数量级)。 然而，因为电子源面积dSFE比dSTE小最多六个数量级，在保证同样束流 的情况下肖特基发射器中电子束的立体角d Q比热电子发射器中的更 大。也就是说，如果用dQTE代表在热电子发射器中的电子束立体角，并 用dQ^代表在肖特基发射器所代表的场发射器中的电子束立体角，则下 式(2)表达的关系成立。dQFE > dQTE ...... (2)也就是说，作为肖特基发射器的每单位立体角电流的角电流密度比 热电子发射器的更小，虽然肖特基发射器具有比热电子发射器更高的轴 向亮度。因为以更大立体角分离电子束，需要校准。结果，在场发射器中， 加速过程和发射侧下游的会聚透镜部分的像差产生巨大影响，以至于原 本应该高亮度的发射器特性由于像差的影响衰退，并且"表观亮度(apparent brightness)"随着束流增加而减小。图10是在采用肖特基 发射器作为场发射器例子的情况下和采用钨丝发射器作为热电子发射器 例子的情况下，表示束流值和亮度之间关系的图表。横坐标指定为束流， 而纵坐标用来画亮度。点线是关于钨丝发射器的曲线，而实线表示关于 肖特基发射器的曲线。注意在肖特基发射器中，是在发射电流密度js为 1.0X 104A/cm2、发射器温度T是1800K以及角电流密度J。化为 0.429mA/str的条件下获得曲线，而对于热电子发射器，是在发射电流 密度js为3A/cm2、发射器温度T是2800K以及角电流密度JQSE= 140mA/str 的条件下获得曲线。术语"W丝"代表工作在热电子模式下的钨丝，而 术语"SE"代表肖特基发射器。在以转丝为代表的热电子发射器的情况下，角电流密度较高；因此当电流位于10 u A到20 u A范围的值附近时，在给定减小亮度的实际方 面亮度减小不成问题。在另一方面，在以肖特基发射器为代表的热电子 发射器的情况下，角电流密度较低并且电子源直径较小；因此当束流位 于InA附近时亮度开始减小，并且在1 li A束流下亮度减小六个数量级。 因为在扫描电子显微镜(SEM)的情况下采用的束流在nA量级或更 小，当在SEM中使用发射器的情况下不会观察到肖特基发射器亮度的减 弱。因此，可用在SEM中使用肖特基发射器。然而，像在电子探针显微 分析仪(EPMA)中那样，在要求束流在亚uA (sub uA)或uA量级 的设备的情况下，对肖特基发射器观察到在亚uA或yA量级的亮度减 弱；因此，即使在例如EPMA的仪器中采用肖特基发射器，也只能使用低 亮度的电子束。所以，在实际意义上不可能在例如EPMA的仪器中采用场 发射器。
技术实现思路
在这样的环境下提出本专利技术，本专利技术的目标是提供一种电子束控制 方法， 一种电子束产生设备，能够在肖特基发射器中随意设置角电流密 度。为了达到这样的目标获取了下列发现和知识。如图IIA所示，肖特基发射器201具有其中电子束发射侧B上的发射器201的锥端201a，锥端201a是如上所述的削尖成锥状的结构。注 意图11B是其中其锥端201a被放大的原理图，并且其中假设用R代表锥 端201a的曲率半径，R在R〈0. 5um到0.6um的范围中。注意如果把从电子枪(发射器)发射的电子束轨迹称为"阴极轨迹"， 则阴极轨迹的基本特性由电子枪焦距表征。(S. Fujita和H. Shimoyama， J. Electron Microscopy, 54(4)， 331-343(2005))。图12是原理上表示 电子枪发射器(阴极)的图。如果在位置〖处垂直于阴极表面(相对于 阴极表面成给定角度)发射的电子轨迹与参考位置(漂移区(drift region))上的光轴之间形成角度e ，如图12所示，用下列微分等式(3) 定义焦距f。1/f 二 -(3sinP/S《)|u=(U—0 ……(3)在式(3)中看到，电子枪焦距的倒数是射线产生角度的正弦和垂直于阴极表面发射的电子的开始位置的离轴距离的极限比率。从用式(3)定义的焦距f得到交叉直径、沿着光轴形成的电子束最小束直径(电子源直径)以及角电流密度。如果用d。。代表电子源直径，玻尔兹曼常数k、绝对温度T、电子电荷e、引出电极处的电势(引出电势)V^以及阴极处的电流密度js，则电子源直径cU和角电流密度J。分别由下式(4)和(5)给出。dco = 2XfX {(kXT) / (eXV』1/2 ……(4)Jq 二 f2Xjs ……(5)如果焦距f更长，则从式(4)可知电子源直径do)更大，并且从式 (5)可知角电流密本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子束控制方法，包括电子束产生步骤，该电子束产生步骤在向电子束发射侧的削尖成锥形的发射器的锥端施加电场时，利用肖特基效应从锥端发射电子来产生电子束，该方法进一步包括：　调节锥端曲率半径的曲率半径调节步骤；　通过在曲率半径调节 步骤中调节的曲率半径控制电子束焦距的焦距控制步骤；　采用焦距控制步骤控制的焦距控制电子束的角电流密度的角电流密度控制步骤，其中　电子束产生步骤在经过角电流密度控制步骤之后控制了角电流密度的状态下进行每次电子束发射。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：藤田伸，穆罕默德戈马蒂，多奎尔威尔斯，
申请(专利权)人：株式会社岛津制作所，约克大学，
类型：发明
国别省市：JP[日本]