[发明专利]粒子源及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及粒子源，更具体地涉及用于电子显微镜、聚焦离子束、微焦点X射线管、电子束光刻机、离子束光刻机的粒子源及其制造方法。

背景技术

电子显微镜、聚焦离子束、微焦点X射线管、电子束光刻、离子束光刻等成像系统在微纳米检测和制造等各个领域均起到重要作用。

用于产生电子的电子源和产生离子的离子源(统称粒子源，通常是一根金属丝)是这些成像系统的关键部件。粒子源的性能最终决定了成像系统的分辨率、衬度等重要性能。

最常用的电子源是肖特基场发射电子源，其相对于传统的热电子源具有寿命长等优点，但缺点是等效直径大、分辨率低、亮度不高、电子能量均匀性不佳等。目前被认为性能优越的冷场发射电子源优点是等效直径很小，在高电压时亮度比肖特基场发射电子源高得多，但是在低压时亮度急剧恶化，而很多材料特别是生物样品必须在低压模式下检测才能不受损。

气态场发射离子源出现得很早，优点是等效直径小和离子能量分布均匀等，缺点是束流密度不高，而且由于微纳米加工工艺限制了针尖尺寸，离子源的发散角很大，无法应用到聚焦离子束系统上。目前最常用的离子源是液态金属离子源，束流密度很高，但等效直径大，且离子能量分布不均匀。近年来由于金字塔型原子级别针尖的成功研制，气体场发射离子源在聚焦离子束的应用成为了可能，但是其束流密度过低的缺点仍很大限制了其应用，尤其是微纳米制造。

因此，希望获得一种能够提供高束流密度、小束流角、小的等效直径、小的能量分散度的粒子流的粒子源。对于电子源，还希望其发射的电子束具有良好的空间相干性。

发明内容

为解决现有技术中的至少一问题而提出本发明。本发明在下文中参考实施例的示例将更详细的描述，但本发明并不局限于所述实施例。

本发明的一个方面提供了一种用于制造粒子源的方法，包括：将金属丝置于真空环境中并通入活性气体和催化气体，对金属丝的温度进行调节，并对金属丝施加正高压V，使得金属丝表面的活性气体离解，在金属丝头部侧面产生刻蚀带，在该刻蚀带内发生场致刻蚀；场致刻蚀使得金属丝头部顶端处表面电场增强，直到大于金属丝材料的场致蒸发电场，使得此处的金属原子被蒸发出去；在场致刻蚀触发了场致蒸发之后，场致刻蚀和场致蒸发这两种机制相互调节直到金属丝头部形状变成了由底座和底座上的针尖组成，其中场致刻蚀发生在侧面，形成了底座，而场致蒸发发生在顶端，形成了针尖；以及当获得具有预定形状的金属丝头部时，停止场致刻蚀和场致蒸发。

在优选实施例中，相对于金属丝表面，催化气体的第一电离能小于活性气体的第一电离能。

在优选实施例中，所述正高压V使金属丝头部顶端处的表面电场大于活性气体的电离电场。

在优选实施例中，所述活性气体的压强低于该活性气体的放电压强，所述催化气体的压强低于该催化气体的放电压强。

在优选实施例中，在场致刻蚀过程中，将所述金属丝的温度控制为能使活性气体分子吸附到金属丝表面。

在优选实施例中，通过场致刻蚀形成粒子源的底座。

在优选实施例中，通过场致蒸发形成粒子源的针尖。

在优选实施例中，快速降低金属丝温度至低于活性气体沸点以减小金属丝表面活性气体的迁移速率，然后切断正高压V来停止场致刻蚀和场致蒸发。

在优选实施例中，通过停止催化气体导入，来停止场致刻蚀和场致蒸发。

在优选实施例中，通过停止活性气体导入，来停止场致刻蚀和场致蒸发。

在优选实施例中，当获得具有预定最顶层原子数的针尖时，停止场致刻蚀和场致蒸发。

在优选实施例中，停止场致刻蚀和场致蒸发并排除活性气体和催化气体之后，通过加另一正高压使得针尖最顶层表面处产生场致蒸发，以移除针尖上附着的非金属原子或分子，并有选择地移除此处的金属原子，最终获得具有预定的最顶层原子数的针尖。

在优选实施例中，针尖最顶层原子数最少为1。

在优选实施例中，在正对金属丝头部并且垂直于金属丝轴线的位置放置导电荧光屏，并引入成像气体，以观察金属丝的头部状态。

在优选实施例中，在金属丝与导电荧光屏前放置微通道板MCP以辅助成像。

在优选实施例中，粒子源是电子源或离子源。

在优选实施例中，当场致刻蚀和场致蒸发同时进行并相互调节时，正高压V为恒定正高压。

在优选实施例中，所述底座和针尖具有轴对称形状。

在优选实施例中，金属丝被预加工为具有逐渐变细的头部。