穩定冷場發射電子源制造技術

公開一種用于諸如透射電子顯微鏡(TEM)、掃描透射電子顯微鏡(STEM)或掃描電子顯微鏡(SEM)之類的聚焦電子束系統的冷場發射(CFE)電子源。源采用CFE尖頭后面的發射器包圍電極，它與抽取器電極結合來定義封閉體積，該體積能夠通過電子碰撞解吸(EID)以及來自定位在發射器包圍電極與抽取器電極之間的被加熱燈絲的輻射加熱來徹底清潔。抽取器電極可具有沉孔，沉孔限制在抽取器所生成的后向散射電子到達源和槍的尚未通過EID清潔的部分。在冷場發射之前的發射器包圍電極和抽取器電極的預先清潔實質改進源發射穩定性和頻率噪聲特性，從而實現對TEM、STEM和SEM的應用是充分的時間間隔的源操作。

【技術實現步驟摘要】

一般來說，本專利技術涉及電子源，更具體來說，涉及應用于聚焦電子束系統中的冷場發射電子源。
技術介紹
在聚焦電子束系統中，鏡筒通常用于將電子束聚焦到待成像目標的表面，并且(可選地)使用射束來處理。在這些鏡筒中，電子源生成初始電子束，初始電子束則傳遞到電子“槍”中，電子槍通常將帶電粒子聚焦到進入鏡筒主體的大致平行射束中。各種類型的電子源已經用于聚焦電子束系統中，包括熱離子陰極、肖特基發射器和冷場發射器(CFE)。它們之中，CFE的特征在于最高亮度和最小能量擴展，從而潛在地以最高電流密度來實現目標處的最小射束大小，因而實現改進的成像分辨率。然而，CFE源甚至在良好UHV ( 10,托)條件下也呈現發射電流的極快( O. 5至I. 5小時)粹熄(quenching)的趨勢。在嘗試解決或改善這個問題中，位于俄勒岡州的希爾巴羅的FEI公司研制了氧化W(Ill)CFE并且取得其專利(授予Tessner II等人的美國專利No. 7888654 “Cold Field Emitter”)，該CFE展示比先前(未氧化尖頭)CFE源要慢許多的猝熄。但是，這些改進的CFE源在源操作的短周期之后仍然展示發射電流中的噪聲。因此，需要ー種在展示降低噪聲的同時具有改進發射穩定性的CFE源。
技術實現思路
本專利技術的ー個目的是提供ー種具有改進發射穩定性和降低噪聲的冷場發射器(CFE)電子源。在本專利技術的一些實施例中，定位在發射器包圍電極與抽取器電極之間的燈絲(filament)用于清潔發射器尖頭附近的表面。在一些實施例中，發射器包圍電極與抽取器電極之間的間隙配置成限制后向散射電子的通路和/或降低氣體分子流入尖頭的區域。本專利技術的實施例已經示出顯著改進穩定性并且降低CFE的噪聲。以上較為廣泛地概述了本專利技術的特征和技術優點，以便可以更好地理解下面對本專利技術的詳細描述。下面將描述本專利技術的附加特征和優點。本領域的技術人員應當理解，所公開的概念和具體實施例可易于用作修改或設計用于執行本專利技術相同目的的其它結構的基礎。本領域的技術人員還應當知道，這類等效構造沒有背離所附權利要求書所提出的本專利技術的精神和范圍。附圖說明為了更透徹地理解本專利技術及其優點，現在參照以下結合附圖的描述，附圖包括圖I是用于測量軸上(on-axis)發射電流穩定性的測試裝置中的現有技術冷場發射器電子源的示意圖。圖2是展示發射的猝熄的現有技術冷場發射器源的實驗結果的圖表。圖3是展示不合需要的發射不穩定性的現有技術冷場發射器源的實驗結果的圖表。圖4是具有源基座中的脫氣(OUtgassing)燈絲的現有技術冷場發射器電子源的示意圖。圖5是工作在除氣模式(degassing mode)的本專利技術的冷場發射器電子源的示意圖。 圖6是用于測量軸上發射電流穩定性的測試裝置中的工作在冷場發射模式的本專利技術的冷場發射器電子源的示意圖。圖7是本專利技術的冷場發射器電子源的一部分的示意圖，示出源尖頭區的第一實施例。圖8是本專利技術的冷場發射器電子源的一部分的示意圖，示出源尖頭區的第二實施例。圖9是本專利技術的冷場發射器電子源的一部分的示意圖，示出源尖頭區的第三實施例。圖10是本專利技術的冷場發射器電子源的實驗結果的圖表。圖11是示出用于制作本專利技術的冷場發射器電子源的方法的流程圖。圖12是示出本專利技術的一個實施例的典型操作的流程圖。具體實施例方式本專利技術的實施例提供ー種具有改進發射穩定性和降低噪聲的冷場發射器(CFE)電子源。實施例提供被認為極大地降低CFE源的正常冷場發射操作期間的發射器尖頭的離子和中性分子轟擊水平、同時還降低電子束所碰撞的表面上被吸附物的積聚速率的源結構。在一些實施例中，這通過下列步驟來實現將發射器尖頭裝入發射器包圍電極與抽取器之間，并且然后通過電子轟擊和輻射加熱的組合來徹底清潔內表面。這個清潔過程利用能夠電子轟擊發射器包圍電極和抽取器的內表面并且還輻射加熱這些表面-電子轟擊和加熱都用于在發起CFE發射以生成電子束之前從這些表面去除基本上全部被吸附物-的熱離子燈絲。熱離子燈絲可以是環狀的并且以發射軸為中心，或者可具有任何形狀并且處于任何位置或取向，使得來自燈絲的發射和/或輻射充分地分布到發射器包圍電極和抽取器的表面，以便充分清潔表面。在一些實施例中，限制結構、例如抽取器面向發射器尖頭的ー側中的沉孔或埋頭孔結構用于限制通過CFE電子與發射器的碰撞所生成的后向散射電子(BSE)，從而防止這些BSE撞擊電子槍中可具有可解吸(desorbable)氣體層的表面。研究表明，尖頭發射不穩定性的原因是因被吸附物的污染以及通過因離子轟擊引起的尖頭形狀的幾何修改而引起的局部功函數和電場的變化。以下論述考慮這些影響的起源。首先我們論述CFE發射穩定性和噪聲的現有技術測量，包括所觀測發射不穩定性的起源的分析。呈現噪聲和發射猝熄的定量測量，以便在上下文中提出本專利技術的實驗證明有益效果。然后論述降低噪聲和改進穩定性的現有技術嘗試，其中包括完全解決CFE源的噪聲和穩定性問題的這些嘗試的失敗原因。最后，呈現本專利技術的源結構，并且描述它在除氣和CFE操作模式中的操作?，F有技術CFE源的發射電流穩定性的測量圖I是用于測量軸上發射電流穩定性的測試裝置中的冷場發射器(CFE)電子源的示意圖100。多種物理影響在CFE發射器尖頭103處或附近發生，這可對諸如掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)或掃描透射電子顯微鏡(STEM)之類的聚焦電子束系統中的源的穩定性和噪聲等級具有有害影響。在典型CFE源中，從焊接到支承燈絲104的定向導線(oriented wire) 102的尖端103發射電子。偏壓施加在發射器尖頭103與抽取器電極108之間，這在尖頭103的表面創建極高的電場，由此引起電子從尖頭103到尖頭前面的真空中的隧穿。這些所發射電子形成定向到圖I右邊的射束106。射束106中的電子的大多數在區域110撞擊抽取器108，同 時發射分布的中心的小部分經過抽取器108中的孔113以形成射束112。用于測量發射穩定性的測試裝置包括屏蔽板114以及電連接到靜電計122的法拉第杯120。射束112的大多數在區域116撞擊屏蔽板114，同時來自發射分布的中心的小部分118經過屏蔽板114中的孔130，并且由法拉第杯120來收集。這個所收集電流由靜電計122來測量，并且然后傳遞給系統地124。由于在典型聚焦電子束系統中，只有來自尖頭103的發射分布的中心的極小部分有助于樣本處的最終射束電流，所以這里所示的測試系統配置成測量該中心部分，同時排除實際應用中通過孔排除在外(apertureaway)(即，阻止傳遞到樣本)的發射分布的其它部分。射束106在區域110與抽取器108的碰撞引起二次電子(SE) 160的發射。雖然尖頭103與抽取器108之間的電壓差主要在尖頭103附近創建電場，但是足夠的殘余電場保留在區域110附近，將二次電子160(它們具有低能量)吸引回抽取器108，如圖I的彎曲軌跡所示。射束106在區域110與抽取器的碰撞還引起后向散射電子(BSE)發射130-BSE的大多數具有與來自射束106的碰撞電子幾乎相同的能量，因此如所示，區域110處的小電場無法防止BSE 130逸入電子槍的總體積。ー些BSE 130傳播到充分遠離尖頭103的槍的本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
2011.02.22 US 13/032,4881.一種冷場發射電子源，包括 電子發射器，具有形成發射器尖頭的銳化端，所述發射器的軸定義源發射軸； 抽取器電極，位于所述發射器尖頭前面，所述抽取器電極具有大致以所述源發射軸為中心的孔；以及 發射器包圍電扱，位于所述發射器尖頭后面，所述發射器包圍電極具有大致以所述源發射軸為中心的孔，孔直徑大于發射器導線的直徑。2.如權利要求I所述的電子源，還包括定位在所述發射器包圍電極與所述抽取器電極之間的清潔燈絲。3.如權利要求2所述的電子源，其中，所述清潔燈絲具有環形形狀，并且大致以所述源發射軸為中心。4.如權利要求I所述的電子源，還包括配置成將抽取電壓施加在所述發射器導線與所述抽取電極之間的抽取電壓源，所述抽取電壓引起從所述發射器尖頭朝所述抽取電極的冷場發射。5.如權利要求2所述的電子源，還包括燈絲電流源，所述燈絲電流源配置成提供通過所述清潔燈絲的電流以歐姆加熱所述清潔燈絲。6.如權利要求5所述的電子源，還包括清潔燈絲偏壓源，所述清潔燈絲偏壓源配置成將電壓施加在所述清潔燈絲與所述發射器包圍電極和所述抽取器電極之間以引起從所述清潔燈絲的電子的熱離子發射，以便轟擊面向所述發射器導線的所述發射器包圍電極和抽取器電極的表面，所述電子轟擊激勵分子從所述發射器包圍電極和抽取器電極的電子碰撞解吸。7.如權利要求I所述的電子源，其中，所述發射器包圍電極與所述抽取器電極之間的空間定義間隙，所述間隙的寬度在遠離所述發射器尖頭處更小。8.如權利要求7所述的電子源，其中，所述抽取器電極包括面向所述發射器尖頭并且以所述源發射軸為中心的凹陷，所述凹陷配置成主要將在所述抽取器電極所生成的后向散射電子限制到所述發射器包圍電極與抽取器電極之間的體積。9.如權利要求8所述的電子源，其中，所述凹陷是沉孔。10.ー種操作冷場發射器電子源的方法，所述源包括具有發射器尖頭的發射器、發射器包圍電極和抽取器電極，所述方法包括 加熱定位在所述發射器包圍電極與所述抽取器電極之間的燈絲； 停止所述燈絲的加熱；以及 將抽取電壓施加到所述抽取器電極，以便引起從所述冷場發射器源的冷場電子發射。11.如權利要求10所述的方...

【專利技術屬性】
技術研發人員：K·劉，G·A·施溫，
申請(專利權)人：FEI公司，
類型：發明
國別省市：