[发明专利]一种场发射电子源发射体尖端塑形装置及其塑形方法

说明书

技术领域

本发明涉及场发射电子源，具体涉及一种场发射电子源发射体尖端塑形装置及其塑形方法。

背景技术

场发射电子显微镜作为人类探索微观世界的重要工具，以其独特的高分辨及分析分析性能，被广泛地应用于材料科学、生命科学、半导体工业以及地质、能源、医疗、制药等诸多领域，在人类科学研究和工业生产中发挥着巨大作用。

场发射电子源是场发射电子显微镜的核心部件之一，其性能决定着场发射电镜中主要的电子光学性能参数，它包括电子枪的发射角电流密度、电子束总发射束流、电子的能量分散、电子束的稳定度及电子源的使用寿命等。

目前，用于场发射电镜的电子源主要有两种，即：冷场发射电子源和氧化锆/钨肖特基场发射电子源（ZrO/W Schottky）场发射电子源，而ZrO/W Schottky场发射电子源以其亮度高、束流大、束稳定性好、电子能量分散小等优点，愈来愈受到电镜生产厂商和使用者的青睐。

ZrO/W Schottky场发射电子源的基本构成如图1所示：带有两个电子源电极43的陶瓷柱44，在电子源电极43上面焊接一个V型发叉钨丝42（直径在0.1～0.2mm），再在V型发叉钨丝42的尖端焊接一根单晶钨丝41（直径在0.1～0.2mm），将单晶钨丝的尖端腐蚀出曲率半径小于1微米的尖端，在单晶钨丝上制备上氧化锆（ZrO），作为场发射电子源发射体。再将场发射电子源安装到一个金属栅帽中构成场发射电子源组件。

通过电化学腐蚀及表面氧化处理后获得的场发射电子源发射体（单晶钨丝）前端是有一定曲率半径的尖，尖端曲率半径大约在1um，比较尖锐。场发射电子源实际工作在高温（约1800K）条件下，这种具有尖锐尖端的发射体，尖端由于受热，原子显著迁移，无法稳定工作。

发明内容

针对电化学腐蚀及表面氧化处理后曲率半径小的场发射电子源发射体尖端在高温下无法稳定工作的问题，本发明提出一种场发射电子源发射体尖端塑形装置及其塑形方法，场发射电子源发射体的尖端经过塑形后，其尖端形成稳定的发射面，稳定的发射面能使场发射电子源发射的电子束束流有集中的发射方向，较大的发射束流和稳定的束流发射等特点。

本发明的一个目的在于提供一种场发射电子源发射体尖端塑形装置。

本发明的场发射电子源发射体尖端塑形装置包括：真空腔室、真空抽气系统、真空度测量系统、电子枪组件、电源系统和电子束成像系统；其中，真空腔室的表面分别通过法兰口连接真空抽气系统和真空度测量系统；电子枪组件通过电子枪法兰口安装在真空腔室内，并通过导电引线与真空腔室外部的电源系统相连接；在真空腔室的表面与电子枪组件相对，通过观察窗法兰口安装电子束成像系统。

电子枪组件包括场发射电子源组件和带有阳极的电子源组件连接座；其中，场发射电子源组件包括：单晶钨丝作为场发射电子源发射体，场发射电子源发射体尖端作为阴极，单晶钨丝通过发叉钨丝焊接在陶瓷柱上的两个电子源电极上；以及金属栅帽，金属栅帽的顶部中心具有栅极孔形成栅极，焊接阴极的陶瓷柱装入金属栅帽中，使发射体尖端穿出金属栅帽顶部的栅极孔；带有阳极的电子源组件连接座包括：中心具有通孔的阳极、绝缘垫和电子枪连接件；阳极通过绝缘垫安装到电子枪连接件上；场发射电子源组件用栅极固定环固定，装入电子源组件连接座中。

栅极的中间通孔是直径为0.35～0.4mm的通孔，圆形金属阳极片中心的通孔直径为0.4mm；要求栅极的通孔、阳极的通孔与单晶钨丝共轴。单晶钨丝尖端与栅极间距为约0.2mm，单晶钨丝尖端与阳极间的间距约0.5mm，栅极与阳极间的间距约0.7mm。阳极加载一个强的正电压，正电压与阴极之间形成强电场，在强电场作用下，阴极表面势垒下降并弯曲，在加热条件下，阴极内部的电子通过遂穿离开阴极，形成电子的场致发射。栅极加载一个弱的负电压，与阴极之间形成弱的负电场，抑制阴极以外的区域产生的场致发射，并对阳极产生的电场起调节作用。

电子枪法兰口采用刀口法兰，中间用铜圈密封，通过陶瓷封接的四条导电引线，将电子枪组件与外部的电源系统连接。

电源系统包括：电子源电源、栅极电源和阳极电源；电子源电源通过一对导电引线与场发射电子源的两个电子源电极相连接，通过控制电子源电流为场发射电子源的发射体加热；栅极电源通过导电引线与栅极相连接，通过控制栅极电压对电场起调节作用；阳极电源通过导电引线与阳极相连接，通过控制阳极电压使发射体产生场致发射，形成电子束。