[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粒子源，包括：底座，具有平缓的顶部；和针尖，形成为底座顶部上的微小突起。

根据本发明的实施例，所述针尖形成在顶部中心上。

根据本发明的实施例，所述底座和所述针尖关于中心轴线对称。

根据本发明的实施例，底座的曲率半径是微米或亚微米量级。

根据本发明的实施例，针尖的曲率半径是纳米量级。

根据本发明的实施例，底座的曲率半径与针尖的曲率半径之比大于3∶1。

根据本发明的实施例，底座是通过场致刻蚀形成的。

根据本发明的实施例，针尖是通过场致蒸发形成的。

根据本发明的实施例，粒子源的材料是金属。

根据本发明的实施例，所述金属是难熔金属(熔点在2200℃以上)，或具有高度化学不活性的惰性金属。

根据本发明的实施例，粒子源的材料是单晶钨或者多晶钨、钽、铼、钼、铪、铌、铱、锇、铑、钌、铂、钯、或金。

根据本发明的实施例，针尖具有预定数量的最顶层原子数。

根据本发明的实施例，针尖最顶层具有1个原子。

根据本发明的实施例，所述粒子源是电子源。

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：正高压V，使得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。

根据本发明的实施例，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。

根据本发明的实施例，所述活性气体的压强低于该活性气体的放电压强。

根据本发明的实施例，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。

根据本发明的实施例，通过场致刻蚀形成粒子源的底座。

根据本发明的实施例，通过场致蒸发形成粒子源的针尖。

根据本发明的实施例，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。

根据本发明的实施例，通过停止活性气体导入，来停止场致刻蚀和场致蒸发。

根据本发明的实施例，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。