发射针、电子源、电子显微镜及大半径电子束形成方法

摘要

本发明提供了一种发射针、电子源、电子显微镜及大半径电子束形成方法，涉及电子显微镜技术领域，解决了发射灯丝释放的用于照明的电子束半径范围较小，亮度低，影响扫描速度的技术问题。该发射针位于电子源中发射电子，其包括针本体，针本体靠近吸出极的一端存在有发射面，且发射面的半径r大小满足20um≤r≤200um，且吸出极上的光阑允许发射面发射出的用于照明的电子束经过。上述电子源包括具有光阑的吸出极和上述发射针，光阑的孔径与发射面发射出的用于照明的电子束直径相适配。本发明发射针的前端形成发射面，用于照明的优质电子束半径范围较大，提高亮度，增大扫描速度，减少扫描时间，实现快速扫描；更适用于大束流和多束分束系统。

说明书

技术领域

本发明涉及电子显微镜技术领域，尤其是涉及一种发射针、电子源、电子显微镜及大半径电子束形成方法。

背景技术

电子显微镜是当代重要的科学研究、工程观察和量测仪器，在物理、材料、化学、生命等科研领域，半导体先进制程、工程材料检测等工业领域发挥着巨大的作用。

电子源是其关键零部件之一，电子源的特性往往决定了电子显微镜的主要性能。以扫描电子显微镜为例：低端扫描电镜均使用发叉式热阴极(钨丝、六硼化镧)作为电子源，中高端电镜使用冷场发射单晶钨以及热场发射氧化锆-单晶钨电子源。热场发射电子源具有亮度高、束流大、寿命长、束流稳定等特点，应用最为广泛。

电子源发出的电子并没有全部被利用，实际上电子光学系统通常用光阑(位于吸出极上)选取总发射电流中发散角最小、能量分散最小的一部分作为系统照明之用，其余周边发散角大、能量分散大的电子无法穿过现有光阑均被抛弃。

本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：现有技术中常见热场发射电子源中的发射灯丝，其为丝状，发射灯丝尖端半径在0.3～1.2um，中间小角度电子束为用于照明的电子束，其范围较小，亮度低，影响扫描速度；且由于本身中部电子束半径小，更无法进行分束，不适用于大束流系统和多束分束系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发射针、电子源、电子显微镜及大半径电子束形成方法，以解决现有技术中存在的发射灯丝释放的用于照明的电子束半径范围较小，亮度低，影响扫描速度的技术问题；本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的发射针，位于电子源中发射电子，其包括针本体，所述针本体靠近吸出极的一端存在有发射面，且所述发射面的半径r大小满足20um≤r≤200um，且所述吸出极上的光阑允许所述发射面发射出的用于照明的电子束经过。

优选的，所述发射面位于其中心轴与所述光阑的中心轴重合的位置，且所述光阑仅允许位于中间位置的电子束经过。

优选的，所述发射面的半径r大小满足40um≤r≤60um。

优选的，所述针本体由背离所述吸出极一端至具有所述发射面的一端呈渐缩的趋势。

优选的，所述针本体为单晶钨针。

优选的，所述单晶钨针表面包覆于有低逸出功材料层，所述低逸出功材料层为氧化锆层。

本发明还提供了一种电子源，所述电子源为热场发射电子源，其包括具有光阑的吸出极和上述发射针，所述光阑的孔径与所述发射面发射出的用于照明的所述电子束直径相适配。

优选的，所述电子源还包括绝缘座、抑制极、接线柱和加热发叉，其中：

所述抑制极为肖特基抑制极，所述抑制极罩设于所述绝缘座外；所有所述接线柱均穿过所述绝缘座，且其一端延伸出所述绝缘座，另一端与所述加热发叉固定，所述发射针固定于所述加热发叉的下端，并延伸出所述抑制极设置，所述发射面的中心对准所述光阑的中心位置。

本发明还提供了一种电子显微镜，包括上述电子源。

本发明还提供了一种基于上述发射针的大半径电子束形成方法，该形成方法包括：

使所述针本体靠近所述吸出极的一端形成所述发射面，且所述发射面的半径大小满足20um≤r≤200um；

改变所述光阑的孔径大小，仅使用于照明的所述电子束经过所述所述光阑。本发明提供的，与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明提供的上述发射针，将原来用于发射电子的灯丝设置为针状，且针本体靠近吸出极的一端上存在有发射面，发射面的半径r满足：20um≤r≤200um，并将吸出极上的光阑孔径与中间位置的电子束半径匹配，摒弃外部散射角度大的电子，中间用于照明的优质电子束半径范围较大，提高亮度，增大扫描速度，减少扫描时间，实现快速扫描；且由于中间电子束范围增大，更适用于大束流和多束分束系统。

本发明提供的上述电子源、电子显微镜，同样具有亮度高，增大扫描速度，减少扫描时间，实现快速扫描的优点；且由于中间电子束范围增大，更适用于大束流和多束分束系统。

且本发明提供的上述方法，能够形成用于照明的大束流电子束，同样具有上述优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明电子源的结构示意图；

图2是图1中A处的局部放大图。

图中1、加热发叉；2、针本体；21、发射面；3、接线柱；4、绝缘座；5、肖特基抑制极；6、吸出极；61、光阑；100、小角度电子束；200、中角度电子束；300、大角度电子束。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明实施例提供了一种用于照明的电子束半径范围大、亮度高、扫描速度快的发射针、电子源、电子显微镜及大半径电子束形成方法。

下面结合图1和图2对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

实施例1

现有电子源中用于发射电子的部件为发射灯丝，其为丝状结构，发射灯丝的尖端半径范围在0.3～1.2um之间，其发射电子时形成不同角度范围的电子束，仅位于中间位置的小角度电子束能被取用照明，上述小角度电子束范围小，使得成像亮度低，且扫描速度慢。本领域内技术人员未意识到上述提及的问题。

本发明针对上述提及的问题，从现有的发射灯丝结构上进行改进，从而提高了中间用于照明的小角度电子束范围，提高电子显微镜的扫描速率。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种发射针，位于电子源中发射电子，主要适用于热场发射电子源中，上述发射针包括针本体2，针本体2靠近吸出极6的一端存在有发射面21，且发射面21的半径r大小满足20um≤r≤200um，且吸出极6上的光阑61允许发射面21发射出的用于照明的电子束经过。

上述发射针，将原来用于发射电子的灯丝设置为针状，且针本体2靠近吸出极6的一端上存在有发射面21，发射面21的半径r满足：20um≤r≤200um，并将吸出极6上的光阑61孔径与中间位置的电子束半径匹配，摒弃外部散射角度大的电子，中间用于照明的优质电子束半径范围较大，提高亮度，增大扫描速度，减少扫描时间，实现快速扫描；且由于中间电子束范围增大，更适用于大束流和多束分束系统。

应当理解的是，通过在针本体2的发射端形成发射面21，在加热和外加电场的作用下，发射面21发射出的总电子数量增大，其中包括小角度电子束100、中角度电子束200和大角度电子束300，三者形成的半径范围均有所增大，但由于同时改变了吸出极6上光阑61的孔径大小，光阑61的孔径大小满足仅允许小角度电子束100(即用于照明的电子束)通过，而将中角度电子束200和大角度电子束300阻拦，因此不会降低电子显微镜的成像清晰度。

上述小角度电子束发散角度小、能量分散小，因此选用其作为用于照明的电子束。其中上述“小”、“中”、“大”是指三者相对而言，并非绝对的角度限制，本领域内技术人员可根据实际情况具体选择合适的角度范围。

作为可选的实施方式，参见图1和图2所示，发射面21位于其中心轴与光阑61的中心轴重合的位置，且光阑61仅允许位于中间位置的电子束经过。

上述结构能使的位于发射面21中部的小角度电子束100能由光阑61的中部位置穿过，防止部分小角度电子束100中的电子被阻拦在外，同时防止不需要的散射角大的电子进入光阑61。

优选的方案是，上述针本体2上发射面21的半径r大小满足40um≤r≤60um。经验证，该大小的发射面21，有效增加了位于中心的小角度电子束100的发射，其中的电子发散角小、能散小，利于照明。

作为可选的实施方式，参见图1和图2所示，上述针本体2由背离吸出极6一端至具有发射面21的一端呈渐缩的趋势。

该结构的针本体2，其发射端直径之间较背离吸出极6一端的直径小，便于更快速的加热，在外加电场的作用下提高了热发射电子源中发射端的热发射效率。

作为可选的实施方式，针本体2为单晶钨针。该结构的针本体2，利于在外加电场且加热作用下克服电子的逸出障碍，发射电子。

热电子发射是把物体加热至足够高的温度，物体内部电子的能量随着温度的升高而增大，其中一部分电子的能量达到足以克服它们逸出的障碍，即逸出功，而由物体内进入真空。本实施例中的发射部件设置为发射针结构，且由于在针本体2的尖端形成了上述大小范围的发射面21，应当进一步考虑到如何提高发射面21发射效率的问题。

为了进一步提高发射效率，作为可选的实施方式，本实施例中的单晶钨针表面包覆于有低逸出功材料层，低逸出功材料层为氧化锆层。

上述结构的针本体2，能够使热发射电子源开始发射电子的初始温度降低，提高了热发射电子源的热发射效率，防止由于发射面21的增大影响电子的热发射效率。本实施例上述针本体2的结构，可有效将钨的逸出功从4.5eV降低到2.8eV。

实施例2

本实施例提供了一种电子源，参见图1所示，上述电子源为热场发射电子源，其包括具有光阑61的吸出极6和上述发射针，光阑61的孔径与发射面21发射出的用于照明的电子束直径相适配。

本发明提供的上述电子源，由于具备上述发射针，故同样具有亮度高，增大扫描速度，减少扫描时间，实现快速扫描的优点；且由于中间电子束范围增大，更适用于大束流和多束分束系统。

作为可选的实施方式，参见图1所示，上述电子源还包括绝缘座4、抑制极、接线柱3和加热发叉1，其中：

抑制极为肖特基抑制极5，抑制极罩设于绝缘座4外；所有接线柱3均穿过绝缘座4，且其一端延伸出绝缘座4，另一端与加热发叉1固定，发射针固定于加热发叉1的下端，并延伸出抑制极设置，发射面21的中心对准光阑61的中心位置。

加热电流从接线柱3引入，加热发叉1被加热，再加热发射针。电子在吸出极6电场的作用下逃离发射面21束缚，形成连续的发射电流。

具体的，参见图1，上述接线柱3用于上电，通过2～3A电流；上述绝缘座4可为陶瓷座，其焊接接线柱3，支撑发射针并绝缘；上述肖特基抑制极5，施加-300～-1000V电压，抑制过多的大角度杂散电子；上述加热发叉1为钨发叉，其焊接于接线柱3上，通电后发热，将发射面21加热到1700～1800K；上述发射针的针本体2为单晶钨针且表面烧结有氧化锆层，能够在加热后在吸出电压的作用下发射出电子。上述吸出极6，可施加3000～8000V电压，在发射针处形成强电场，吸引电子发射。

实施例3

本实施例提供了一种电子显微镜，包括上述电子源，如图1和图2。本发明提供的上述电子显微镜，由于具备上述电子源，故同样具有亮度高，增大扫描速度，减少扫描时间，实现快速扫描的优点；且由于中间电子束范围增大，更适用于大束流和多束分束系统。

实施例4

本实施例提供了一种基于上述发射针的大半径电子束形成方法，该形成方法包括：

使针本体2靠近吸出极6的一端形成发射面21，且发射面21的半径r大小满足20um≤r≤200um；

改变光阑61的孔径大小，仅使用于照明的电子束经过所述光阑61。

该方法为行业内首例，通过发现发射针发射出的小角度电子束100至今范围影响了电子显微镜成像和扫描速率，且在发现上述问题的基础上，从发射针结构上进行改进，摒弃了现有结构中的发射灯丝，在发射针的发射端形成一半径R满足：20um≤r≤200um的发射面21，且同时将吸出极6上的光阑61孔径进行改进，光阑61的孔径仅允许用于照明的电子束经过，即仅允许发射角度小、能量分散小的小角度电子束100经过，将不需要的中角度电子束200和大角度电子束300阻拦在外。

上述方法增加了中心优等电子的质量和数量，使电子显微镜的具有高通量的扫描速率，实现快速扫描、减少扫描时间。

在本说明书的描述，具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。