[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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(LaB₆) 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μm， 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dS_TE代表热电子发射器的电子源面积，而用dS_FE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dΩ和束流值(用I_b代表电流值)代表电子束 的立体角，电子束的立体角dΩ随着需要的束流值I_b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dΩ由下式(1)给出 束流值I_b。

I_b＝B×(dS×dΩ)    ……(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dΩ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dS_FE比dS_TE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dΩ比热电子发射器中的更 大。也就是说，如果用dΩ_TE代表在热电子发射器中的电子束立体角，并 用dΩ_FE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。

dΩ_FE＞dΩ_TE    ……(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。