[发明专利]具有低逸出功和高化学稳定性的电极材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种电极材料。

背景技术

使用聚焦电子束的仪器包括成像仪器，比如扫瞄电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）；制造仪器比如电子束刻蚀机器（EBL）以及化学分析仪器比如能量漫散X射线能谱仪，电子能量损失能谱仪（EELS），和俄歇电子能谱仪。为了实现更高的性能，这些仪器需要配备一个亮度更高并且电子束能量发散更窄的电子源。关于亮度的要求是为了让分析仪器实现更高的信噪比以及让刻蚀机器实现更高的产出率；对于窄能量发散的要求是为了让电磁透镜能更好的聚焦，因为就现在的透镜生产水平而言，一定的色差是无法避免的。一个电子源的亮度和能量发散既取决于电子源材料种类又取决于电子束的产生方式。

为了让电子能从电子源（发射体）表面发射出来，我们需要给予束缚的电子足够的能量去克服发射体表面和真空之间存在的能量壁垒。此能量壁垒的高度被定义为发射体材料的逸出功。如果加热被用来激发束缚电子去克服这个壁垒，这种发射模式被称为热发射，这种电子源被称为热电子源。当发射体材料的逸出功较低的时候，则需要较低的温度来实现同样程度的热激发。这样就能同时提高发射的亮度和降低能量发散。典型的低逸出功热发射材料包括周期表中第二，第三，第四族元素的硼化物，碳化物和氧化物。当加热到同样的温度的时候，这些低逸出功材料相对于传统的热发射体材料钨（W）能发射出更高的电流密度，因为钨（W）具有高的逸出功。当我们在这个发射体上相对于一个邻近的电极加一个负电压的时候，那个能量壁垒会因为肖特基效应随着电场强度的增强而降低。当加热仍用来激发电子的时候，壁垒高度的降低会帮助电子更容易的逃离发射体表面。这个发射模式被称为肖特基发射或者场增强型热发射。此发射体被称为肖特基发射体。当发射体材料为ZrO／W（逸出功约2.6电子伏）的时候，肖特基发射体比热发射体具有更高的亮度和更低的能量发散。当我们继续增加所加电场强度的时候，能量壁垒会变的如此之薄以至于束缚电子能够直接隧穿过壁垒从而进入真空，甚至不需要任何的热激发。此种发射模式被称为场发射，此种发射体被称为场发射体。由于不再需要高温（超过1800K）加热，在三种发射模式当中，场发射具有最高的亮度和最低的能量发散。在同样的电场强度下，发射体材料的逸出功越低，能量壁垒就越薄，电子隧穿就越容易。这就造成了相较于高逸出功的场发射体，低逸出功的场发射体具有更高的亮度和更低的能量发散。

对于一个实际应用的电子发射体来说，另一个重要的方面是它所发射的电子电流密度必须在一个长时间内能保持不变。波动的，衰减的或者渐增的电流都会增加应用它的仪器的设计和使用复杂性。一个使得发射电流变化的重要因素就是场发射体对于不完全真空之中存在的剩余气体分子的吸附。这些吸附的分子改变了表面的逸出功，从而改变了发射电流密度。对于一个热发射体来说，这个吸附效应不如对于低温场发射体来说那么重要。这是因为热发射过程中使用的高温能从发射体表面脱附任何吸附物从而保持住表面逸出功不变。对于低温场发射体来说，因为没有除去这些吸附物的机制，后果就是发射电流的波动和随时间的衰减。为了减轻来自于吸附物的影响，一个直观的方法就是创造更好的真空来减少剩余气体。但是，对于更高真空的要求会增高仪器的费用并且牺牲操作的方便性。

目前商业使用的场发射体是具有高逸出功（4.5电子伏）的钨（W）材料。当用于聚焦电子束仪器的时候，高逸出功制约了在一个可以接受的能量发散之下能达到的最高亮度。另外，我们知道钨（W）发射体会和真空里的主要是氢气的残余气体反应。它的衰减前平台期当真空不好于1×10^-10托的时候通常短于30分钟；当真空不好于1×10^-12托的时候短于5个小时。比较而言，在真空不好于1×10^-9托的时候，肖特基发射体通常可以无衰减的发射电子。更短的平稳时期和更高的真空要求使得低温场发射体不像肖特基发射体那样受欢迎，尽管场发射体可以提供更高的亮度和更窄的能量发散。所以，特别需要设计出一个具有低逸出功和高表面惰性的可以在更差的真空环境里更长时间的稳定工作的低温场发射体材料。