电子束控制方法、电子束生成设备、使用该方法的设备，以及发射器的制作方法

专利名称：电子束控制方法、电子束生成设备、使用该方法的设备，以及发射器的制作方法
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(LaBj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ym， 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dSTE代表热电子发射器的电子源面积，而用dSpE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dQ和束流值(用Ib代表电流值)代表电子束 的立体角，电子束的立体角dQ随着需要的束流值Ib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dQ由下式(1)给出 束流值L。
Ib=BX (dSXdQ) ...... (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dQ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dSFE比dSTE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d Q比热电子发射器中的更 大。也就是说，如果用dQTE代表在热电子发射器中的电子束立体角，并 用dQ^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。
dQFE > dQTE ...... (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。
因为以更大立体角分离电子束，需要校准。结果，在场发射器中， 加速过程和发射侧下游的会聚透镜部分的像差产生巨大影响，以至于原 本应该高亮度的发射器特性由于像差的影响衰退，并且"表观亮度(apparent brightness)"随着束流增加而减小。图10是在采用肖特基 发射器作为场发射器例子的情况下和采用钨丝发射器作为热电子发射器 例子的情况下，表示束流值和亮度之间关系的图表。横坐标指定为束流， 而纵坐标用来画亮度。点线是关于钨丝发射器的曲线，而实线表示关于 肖特基发射器的曲线。注意在肖特基发射器中，是在发射电流密度js为 1.0X 104A/cm2、发射器温度T是1800K以及角电流密度J。化为 0.429mA/str的条件下获得曲线，而对于热电子发射器，是在发射电流 密度js为3A/cm2、发射器温度T是2800K以及角电流密度JQSE= 140mA/str 的条件下获得曲线。术语"W丝"代表工作在热电子模式下的钨丝，而 术语"SE"代表肖特基发射器。
在以转丝为代表的热电子发射器的情况下，角电流密度较高；因此
当电流位于10 u A到20 u A范围的值附近时，在给定减小亮度的实际方 面亮度减小不成问题。在另一方面，在以肖特基发射器为代表的热电子 发射器的情况下，角电流密度较低并且电子源直径较小；因此当束流位 于InA附近时亮度开始减小，并且在1 li A束流下亮度减小六个数量级。 因为在扫描电子显微镜(SEM)的情况下采用的束流在nA量级或更 小，当在SEM中使用发射器的情况下不会观察到肖特基发射器亮度的减 弱。因此，可用在SEM中使用肖特基发射器。然而，像在电子探针显微 分析仪(EPMA)中那样，在要求束流在亚uA (sub uA)或uA量级 的设备的情况下，对肖特基发射器观察到在亚uA或yA量级的亮度减 弱；因此，即使在例如EPMA的仪器中采用肖特基发射器，也只能使用低 亮度的电子束。所以，在实际意义上不可能在例如EPMA的仪器中采用场 发射器。

发明内容
在这样的环境下提出本发明，本发明的目标是提供一种电子束控制 方法， 一种电子束产生设备，能够在肖特基发射器中随意设置角电流密 度。
为了达到这样的目标获取了下列发现和知识。
如图IIA所示，肖特基发射器201具有其中电子束发射侧B上的发射器201的锥端201a，锥端201a是如上所述的削尖成锥状的结构。注 意图11B是其中其锥端201a被放大的原理图，并且其中假设用R代表锥 端201a的曲率半径，R在R〈0. 5um到0.6um的范围中。
注意如果把从电子枪(发射器)发射的电子束轨迹称为"阴极轨迹"， 则阴极轨迹的基本特性由电子枪焦距表征。(S. Fujita和H. Shimoyama， J. Electron Microscopy, 54(4)， 331-343(2005))。图12是原理上表示 电子枪发射器(阴极)的图。如果在位置〖处垂直于阴极表面(相对于 阴极表面成给定角度)发射的电子轨迹与参考位置(漂移区(drift region))上的光轴之间形成角度e ，如图12所示，用下列微分等式(3) 定义焦距f。
1/f 二 -(3sinP/S《)|u=(U—0 ……(3)
在式(3)中看到，电子枪焦距的倒数是射线产生角度的正弦和垂
直于阴极表面发射的电子的开始位置的离轴距离的极限比率。从用式(3)
定义的焦距f得到交叉直径、沿着光轴形成的电子束最小束直径(电子
源直径)以及角电流密度。
如果用d。。代表电子源直径，玻尔兹曼常数k、绝对温度T、电子电
荷e、引出电极处的电势(引出电势)V^以及阴极处的电流密度js，则
电子源直径cU和角电流密度J。分别由下式(4)和(5)给出。
dco = 2XfX {(kXT) / (eXV』1/2 ……(4)
Jq 二 f2Xjs ……(5)
如果焦距f更长，则从式(4)可知电子源直径do)更大，并且从式 (5)可知角电流密度J。也会增加。所以，为了在肖特基发射器中以合
理的自由度设置角电流密度J。，只需要调节焦距f。
注意通过改变电子枪焦距来增加(或减小)角电流密度J。必然伴随
着电子源直径de。的增加(或减小)。因此亮度B本身独立于焦距，如下
所示，
B 二Jq/兀(dco/2) 2= (1/兀)(ejs/kT) Vext， ……(6)
所以，为了控制两个电子光学上的重要参数，也就是亮度B和角电流密 度J。，必须同时地控制电子枪焦距f和阴极电流密度js。
让我们从电子枪焦距开始。然后，注意定义焦距f的式(3)。在本发明中发现电子枪焦距能用改变肖特基发射器的形状来调节。通过缩放
发射器顶端半径R，可能增加或减小对应于固定射线产生角度e的离轴 距离S 。通过用下式(6)来拟合图12中的v (=sinP )得到由式(3)
定义的焦距f。
v = ( —1/f) X & + e X《3 ...... (7)
图13是表示在采用不同曲率半径R的两个肖特基发射器的情况下 ;和v之间关系的图表。横坐标指定为5，而纵坐标还是用来画v。为 了更具体，这里采用的是形成具有0. 6 ii m传统直径的曲率半径R的肖特 基发射器以及形成具有大于传统阴极尺寸的2. 0 u m曲率半径R的肖特基 发射器。如图13所示，传统标准肖特基发射器(R=0.6nm)的曲线标 记为术语"标准SE"，而具有大于传统尺寸的曲率半径R的肖特基发射 器(R=2.0um)的曲线标记为术语"巨型SE"。
在图13中，两个曲线在5 =0附近的斜率取值(一l/f )。通过比较 斜率，具有较小斜率的巨型SE具有比具有更大斜率的标准SE更长的焦 距f。
如上所述，获得了发现和知识，即通过调节发射器锥端的曲率半径， 可以控制焦距并且从而自由地设置角电流密度。特别地，获得了发现和 知识，即如果把发射器锥端的曲率半径调节成大于传统肖特基发射器的 锥端的曲率半径，则焦距变得更大并且从而增加角电流密度。
接下来，我们将研究阴极电流密度。对肖特基发射器和冷场发射器， 电流密度js是阴极电场强度的函数。因为在尖阴极顶端的情况下，电场 被其小曲率半径增强，半径的变化常常影响场强。如果其它电极配置和 施加电压不变的话，大发射器会具有低电场。因为不能毫无放电风险地 无限增大施加的电压，为了在更大半径的发射器上恢复足够高的电场， 必须有在电极配置上的一些补偿。其实现的一个有效方法是在包括发射 器、抑制器和引出器的肖特基发射器模块结构中，使从抑制器的发射器 突起长度更长。通过根据发射器顶端半径设置适当的突起长度，有可能 在合理的施加电压条件下保证足够高的顶端电场。
因此，这里记载的基于发明人获得的发现和知识的本发明具有下列 配置。也就是说，根据本发明的电子束控制方法是这样一种电子束控制方 法，通过向所述发射器施加电场，利用肖特基效应从电子发射器产生电 子束，其中所述电子发射器包括锥形尖顶端，并且该方法包括调节所述 顶端曲率半径的步骤，从而控制从所述顶端发射的电子束的焦距并且从 而控制所述束的角电流密度。
根据本发明的电子束控制方法的优选例是选择在大于等于lym范 围内的曲率半径。通过选择在大于等于1 U m范围内的曲率半径，控制焦 距使得比曲率半径在从0. 5u m到不超过0. 6 u m范围内的传统情况下的 更长，另外，控制角电流密度比传统情况下的值更高。
优选地，根据本发明的电子束控制方法包括
调节突起长度的突起长度调节步骤，所述突起长度是锥端从抑制电 极开始的长度，所述抑制电极是施加电场的两个电极中位于与发射方向 相反的一侧的电极，所述抑制电极上施加负电压；以及
基于电场值设置突起长度和曲率半径的组合范围的组合范围设置 步骤，其中
在突起长度调节步骤，在由曲率半径调节步骤中调节的曲率半径 处，从组合范围中选择突起长度。
根据选择突起长度的电子束控制方法，调节突起长度从而控制在锥 端的电场强度。所以，在肖特基发射器中，调节突起长度来使得能够保 证必须的电场。根据发射器的曲率半径，突起长度的电场特性也随之改 变。因此，在基于电场值的组合范围设置步骤中设置突起长度和曲率半 径的组合范围。在组合范围中，在由曲率半径调节步骤中调节的曲率半 径处选择突起长度。该选择使得能够使突起长度与曲率半径相适应。
电子束控制方法选择突起长度的优选例是在曲率半径调节步骤中 在大于等于1 P m且小于等于4 y m的范围中选择曲率半径，以及在由曲 率半径调节步骤中调节的曲率半径处，从组合范围中在大于等于200um 且小于等于1500um的范围中选择突起长度(参见图4)，从而使得能够 实现控制角电流密度增加到比传统值更高，同时通过保证在顶端合适的 电场的高阴极电流密度js来维持肖特基发射器的高束亮度。
优选地，根据本发明的电子束控制方法包括调节锥端突起长度，
10以及形成发射器来避免暴露从抑制电极向外在发射侧上的发射器侧表面 部分上的(100)晶面的发射器形成步骤，所述抑制电极被施加负电压并 且是施加电场的两个电极中位于发射侧相反侧的电极。根据使用形成不暴露从抑制电极向外在发射侧上的侧表面部分的 晶面(100)的电子束控制方法，多余的晶面(100)被隐藏在抑制电极 发射侧相反侧上的后部中，这使得多余的引出电流受到抑制。术语"发 射器侧表面"意味着和电子束发射方向相平行的表面。根据本发明的电子束产生设备是这样一种电子束产生设备，包括具有在电子束发射侧上的削尖成锥形的锥端的发射器；以及向发射器锥端施加电场的两个电极，其中向锥端施加电场从而利用肖特基效应发射 电子来产生电子束，电子束产生设备的改进在于锥端的曲率半径大于等于lpm。 电子束产生设备的改进在于从曲率半径和发射器顶端相对于抑制 电极的轴向距离(突起长度)的组合范围中选择发射器顶端相对于抑制 电极的轴向距离，其中取值范围能够适应所述发射器位于其中的所需要 的电场。根据本发明的电子束产生设备，因为锥端曲率半径大于等于1 P m， 和曲率半径在0.5 u m到不超过0.6 y m的范围的传统情况相比焦距可以 更长，此外，得到的角电流密度可以比在传统设置下得到的值更高。另 外，因为通过根据顶端半径选择适当的突起长度来保持足够高的发射器 顶端电场，能维持阴极电流密度和束亮度。本发明的包括电子束产生设备的电子束装置是一种使用电子束产 生设备的装置，包括具有在电子束发射侧上的削尖成锥形的锥端；以 及向发射器锥端施加电场的两个电极，其中向锥端施加电场从而利用肖 特基效应发射电子来产生电子束，电子束产生设备的改进在于锥端曲率半径大于等于l"m，装置还包括进行基于通过电子束产生设备产生的电子束的预设处理的处理装置。根据关于本发明的电子束产生设备，因为锥端曲率半径大于等于1li m，焦距可以比曲率半径在0.5um到不超过0.6um的范围的传统情 况更长以及角电流密度可以比传统的更高。另外，因为角电流密度比传 统的更高，亮度很难随着束流减小，从而处理装置可以使用具有高亮度 的电子束进行预设处理，从而使得处理装置能够用于各种设备。使用本发明的电子束产生设备的装置例子是一种进行样本分析或 观察的电子探针显微分析仪，并且该处理装置通过用电子束照射样本来 基于从样本上产生的X射线获取X射线图像，或者通过用电子束照射样 本来基于从样本上产生的二次电子或反射电子获取电子束图像，来进行 样本分析或观察。电子探针显微分析仪适于分析或观察样本的小区域。使用本发明的电子束产生设备的另一个装置例子是一种X射线管， 并且该处理装置是通过与电子束碰撞产生X射线的靶标。因为X射线管装有发射高亮度电子束的发射器，当电子束照射耙标 时可以把其电子束角度抑制到很小，从而能够使得靶标上的X射线产生 区域很小。因此，能提高X射线图像的空间分辨率。使用关于本发明的电子束产生设备的另一个装置例子是电子束光 刻系统，并且该处理装置使用电子束进行光刻。因为电子束光刻系统装有发射高亮度电子束的发射器，能把光刻中 会聚在图样上一点的电子束的角度抑制到很小，从而能够使得在光刻耙 标上形成的光刻图样的空间分辨率更好。本发明的电子束产生设备或使用电子束产生设备的装置的例子如 下放置抑制电极和发射器使得从抑制电极到锥端最顶点的长度的突起 长度在大于等于200 u m且小于等于1500 p m的范围中，并且锥端曲率半 径在大于等于1 u m且小于等于4 u m的范围中。因为曲率半径在大于等 于1 P m且小于等于4 u m的范围中并且突起长度在大于等于200 u m且小 于等于1500uni的范围中，角电流密度能比传统实践中的更高，同时， 能控制在锥端的电场。在电子束产生设备或使用电子束产生设备的装置中，优选地，发射 器具有不暴露从抑制电极向外在发射侧上的发射器侧表面部分的晶面 (100)的形式，所述抑制电极是施加电场的两个电极中位于发射侧相反侧的电极，并施加负电压。在这种情况下，因为多余的晶面(100)被隐藏在抑制电极发射侧 相反侧的后部中，多余的引出电流受到抑制。根据本发明的发射器是一种产生电子束的发射器，其中在电子束发 射侧上的发射器锥端削尖成锥形，以及向其施加电场从而利用肖特基效 应发射电子，发射器的改进在于锥端曲率半径大于等于lym。根据关于本发明的发射器，因为锥端曲率半径大于等于lPm，焦距 可以比曲率半径在0.5 y m到不超过0.6 u m的范围的传统实践更长，并 且角电流密度可以比传统的更高。根据提出的保证足够高顶端电场的曲率半径和突起长度的组合范 围(参见图4)，在发射器的突起长度调节在大于等于200iim且小于等 于1500um的范围中，并且曲率半径在大于等于lum且小于等于4um 的范围中的情况下，可以保持较高的束亮度。本发明的发射器优选地具有不暴露发射器侧表面部分的晶面(100) 的形式。在这种情况下，多余的晶面(100)被隐藏在抑制电极发射侧相反 侧上的后部中，这使得多余的引出电流受到抑制。


为了说明本发明，在附图中表示了几种目前优选的形式。然而应当 理解，本发明不限制于所示的精确安排和手段。图1A是表示关于本发明一个例子的肖特基发射器的原理图； 图1B是发射器锥端的放大原理图；图1C是用于和传统发射器锥端相比较的放大原理图； 图2是装有肖特基发射器的电子束产生设备的原理图； 图3是装有电子束产生设备的电子探针显微分析仪(EPMA)的原理 框图；图4是粗略表示突起长度和曲率半径的组合范围的图表；图5A是表示用DC刻蚀方法或者类似的产生类似形状的方法处理的13抑制电极(suppressor electrode)构造和肖特基发射器的原理图；图5B是表示用AC刻蚀方法或者其它产生类似形状的方法处理的抑制电极构造和肖特基发射器的原理图；图6是针对本发明的例子、传统技术的标准肖特基发射器和钨丝发射器，示出了束流值和减弱的亮度之间关系的图表；图7是装有肖特基发射器的微焦点X射线管的原理框图； 图8是装有肖特基发射器的电子束曝光系统的原理框图； 图9A是在原理上表示当电子束从热电子发射器的电子枪发射时的电子源特性的图；图9B是在原理上表示当电子束从场发射器的电子枪发射时的电子 源特性的图；图10是在传统的肖特基发射器和钨丝发射器中，表示束流值和亮 度之间关系的图表；图11A是表示传统的肖特基发射器的原理图； 图11B是发射器锥端的放大原理图；图12是原理上表示电子枪发射器和电子枪焦距定义的图；以及图13是描述导致本发明的发现和知识的图表。
具体实施方式
以下参考附图给出本发明优选实施例的详细描述。 图1A是表示关于本发明一个例子的肖特基发射器的原理图。图IB 是发射器锥端的放大原理图。图1C是用于和传统发射器锥端相比较的放 大原理图。图2是装有肖特基发射器的电子束产生设备的原理图。图3 是装有电子束产生设备的电子探针显微分析仪(EPMA)的原理框图。关于例子的肖特基发射器l，如图1A所示，具有在电子束B(这里， 符号"B"在图中表示电子束而不要和代表亮度的量混淆)发射侧上的削 尖成锥形的锥端la。肖特基发射器1具有其中在单晶钨丝上涂敷氧化锆 层的结构。如图IB所示，锥端la的曲率半径R是2. 0 y m并且优选地在 lpm或更大的范围内，和在0.5um到不超过0.6"m (参见图IIB和图 1C)的范围的传统锥端201a相比更大。注意在图1C中，关于本例子的肖特基发射器1的锥端la用双点链线表示。装有肖特基发射器l的电子束产生设备IO，如图2所示，包括向肖 特基发射器1的锥端la施加电场的两个电极2和3;引出电子束B的阳 极4;以及会聚电子束B的会聚透镜5。由肖特基发射器1和电极2和3(抑制电极2以及稍后描述的引出电极(extractor electrode) 3)组 成的部分称为电子源。容易理解电子源具有作为参考的肖特基发射器1 的电位(在图2中，电位是0V。在实际情况下，发射器l的电位常常是 负高电位)。在通过电极2和3向其施加的强电场下加热锥端la，从而 用肖特基效应发射电子，并从而用电子束产生设备10产生电子束B。电 子束产生设备IO对应于本发明的电子束产生设备，并且还对应于电子束 产生设备。在两个电极2禾B 3中，位于发射侧相反侧并施加负电压(在图2中， -300V)的电极2是抑制电极2，而位于发射侧并施加正电压(在图2中， 6423V)的电极3是引出电极3。阳极4和作为阴极的肖特基发射器1相对地放置并施加相对于发射 器1的正电压。阳极4从肖特基发射器1吸引出电子束B。通过用阳极4 的吸引加速电子束B。会聚透镜5构造为环形。从未示出的透镜电源向会聚透镜5提供电 流，从而产生磁场，以类似光学会聚透镜中光线的方式会聚电子束B。下面将再次参考图2给出电子束产生设备10的肖特基发射器1、电 极2和3、阳极4以及会聚透镜5的配置。抑制电极2和引出电极3放 置为其间间隔为700um。即使该间距类似传统肖特基发射器配置，每个 电极的位置是独特的。用L"代表从抑制电极2到锥端la最顶点的长度。 在另一方面，用LTE代表从锥端最顶点到引出电极3的长度。因此，关系 Lst+LTE=700 n m成立。如果发射器用和传统相同的250 y m突起长度LST 工作，则不能保证锥端la的电场强度F为必要的值(在这种情况下，F =lX109V/m)。因此，设置突起长度LsT比传统情况更长，以便使电场强 度F增加到必要的值(lX109V/m)。在锥端la的曲率半径R为2.0um 的肖特基发射器的情况下，放置肖特基发射器1和抑制电极2使得突起 长度LsT为400ym。因此，U为300 ti m ( =700 " m—LST)。为了保证在锥端la的必要的电场强度F，调节突起长度U来适应 曲率半径R。也就是说，电场特性相对于突起长度LsT的关系也随着曲率 半径R变化。因此，如图4所示，基于肖特基模式下场发射所必须的电 场值，预先设定突起长度LsT和曲率半径R的组合范围。在这种情况下， 独立地改变突起长度Lst和曲率半径R来估计适合必要的电场强度F (1 X109V/m)(参见图4中的交叉线阴影部分)的组合范围。也就是说，肖 特基发射器l工作所必须的曲率半径R和突起长度LsT的组合范围定义为 图4中的交叉线阴影面积。注意在图4中，用标记"x"表示传统标准肖 特基发射器(R=0.5ym)的曲率半径R和突起长度LST (其中R=0.5um 而Ls产250nm)的组合。
用L代表在阳极4和会聚透镜5之间的距离。在热电子发射器的情 况下，阳极4和会聚透镜5间隔距离为L二100mm量级的值。虽然L越长 则透镜像差系数越大，更大像差导致更大束直径的问题没有出现，因为 热电子发射器具有大角电流密度。与之相比，在肖特基发射器的情况下， 因为角电流密度较小，由于透镜像差系数的增加肖特基发射器本身的高 亮度减弱。因此，在肖特基发射器的情况下，优选为了抑制透镜像差系 数，把L设置成尽可能接近Omm，从而将会聚透镜5置于离肖特基发射
器1的一侧较近的位置。
如果用直流(DC)刻蚀方法或其它合适的方式处理肖特基发射器1， 则在发射侧从抑制电极2暴露多余的晶面(100)(参见图中向右倾斜的 斜线阴影)，如图5A所示。通过氧化锆层的作用减小晶面(100)的功函 数，并作为增加电源负载的结果引出多余的引出电流。结果，产生了更 大的来自包围电极表面的气载的放气率，减弱了发射器附近的真空度。 术语DC刻蚀方法是不改变在刻蚀中使用的电极的极性而进行的刻蚀。
与之相比，在使用交流(AC)或者类似方法形成肖特基发射器l的 情况下，可以进行刻蚀，如图5B所示，使得锥形的锥端la更长，并且 具有斜线的轮廓。AC刻蚀方法不仅使得能够得到具有斜线轮廓的刻蚀大 表面，而且还能够精微地从(100)产生不同的晶体表面。因此，通过用 AC刻蚀方法处理肖特基发射器1，从而不在从抑制电极2向外的位于发 射侧的发射器侧表面部分的晶面暴露(100)。术语"发射器侧表面"是和电子束B发射方向相平行的表面。因此，图中向右倾斜的斜线的阴影 指示发射器侧表面部分的晶面(100)。采用这样的结构，多余的晶面(100)
被隐藏在抑制电极2的发射侧相反侧上的后部中，这使得多余的引出电 流受到抑制。术语AC刻蚀方法是在用于刻蚀的电极极性变化时进行刻 蚀。
然后，将给出用于控制电子束的方法的描述。首先，调节锥端la 的曲率半径R。调节曲率半径R到比传统的更大的值，从而控制电子枪 焦距f更长，并控制角电流密度更高。因为传统的锥端la的曲率半径在 0.5um到不超过0.6nm的范围中，优选地选择在大于等于lum范围 内的曲率半径R。在这里用举例方式给出的一个实施例中，选择曲率半 径R为2 ii m。
如上所述，基于电场值预先设定突起长度Lst和曲率半径R的组合 范围。通过决定的突起长度LsT来放置抑制电极2和肖特基发射器l，所 述突起长度LsT为从抑制电极2到肖特基发射器1锥端最顶点的长度。在 突起长度LsT的调节中，在调节后的曲率半径R处从如图4所示的组合范 围选择突起长度LST。
在图4中，所需的突起长度U和曲率半径R的组合范围定义为在1 Um<R<4um以及200um〈LsT〈 1500y m的范围中选择的范围。在 这里用举例方式给出的一个实施例中，选择曲率半径R和突起长度U 的组合(R-2.0um且LsT二400um)。通过选择图4中组合范围中的组 合点，可以控制锥端la的电场强度F (在本例中，F=lX109V/m)。
通过如此调节的曲率半径R控制电子束B的焦距f。通过控制的焦 距f控制电子束B的角电流密度，同时用通过发射器突起长度调节保证 足够大顶端电场来把束亮度维持在其本来的高值上。
在把锥端la的曲率半径设置在大于等于1 u m且小于等于4 u m的 范围中并且把肖特基发射器1的突起长度LsT设置在大于等于200uni且 小于等于1500yni的范围中的情况下，角电流密度能比传统的更高，并 且同时能控制锥端la的电场F以维持高的束亮度。
因为角电流密度比传统结构的更高，甚至在较高束流时亮度也几乎 不减弱，并且在例子的EPMA50中，元素分析处理部分20和表面观察处
17理部分30能用高亮度电子束分别进行例如元素分析处理和表面观査处
理的预定处理。因此，本发明能应用于以例如EPMA50为代表的各种设备 中。
注意，在本例的电子束产生设备10用在EPMA50的情况下，有下列 效应。也就是说，EPMA50要求束流在亚uA或uA量级，并且在图6中 还确定了 ，甚至在亚u A或y A量级下也没有观察到肖特基发射器1的亮 度减弱。
图6是本例的肖特基发射器1 (R二2.0um)、传统技术的标准肖特 基发射器(R=0.6um)和作为热电子发射器的钨丝发射器中，表示束流 值和亮度之间关系的图表。也就是说，通过在图10中增加表示本例的肖 特基发射器1中的束流值和亮度之间关系的图表得到图6的图表。图6 在和图10同样的条件下获得。然而，在本例的肖特基发射器1中，在电 流密度js为1.0X104A/cm2、温度T是1800K以及角电流密度J^E为 2.22mA/str的条件下获上述关系。用点线画的曲线是钨丝发射器的曲 线，而图6中用实线画的两条曲线是肖特基发射器的曲线，其中图中的 "巨型SE"表示具有比传统的更大的锥端la的曲率半径R的本例的肖 特基发射器l (R=2.0iim)的曲线，而"标准SE"表示传统标准肖特基 发射器(R二0.6iiin)的曲线。图中的标记"W丝"表示鸨丝。
从图6可知，在传统标准肖特基发射器的情况下，角电流密度较低， 并且电子源直径较小；因此，当束流在lnA或更大附近时，亮度开始减 小，并且比luA量级时减小高达6个数量级。与之相比，在关于本例的 肖特基发射器l的情况下，角电流密度较高；因此，己经确认，和标准 肖特基发射器相比亮度很难减小，并且如果正确地选择会聚透镜5的位 置，亮度在1 U A左右开始减小。因此，肖特基发射器能应用于例如EPMA50 的要求束流在亚y A或u A量级的装置。
不限制于实施例，本发明能以下列方式进行修改。 (1)在例子中，作为使用电子束产生设备的装置的例子给出了电 子探针显微分析仪(EPMA)的描述，就其中使用电子束产生设备来说， 没有对装置强加特别的限制。例如，装置可以是扫描电子显微镜(SEM)、 传输电子显微镜(下面也简称为"TEM")、微焦点X射线管、俄歇电子能谱仪、电子束光刻系统以及电子束刻录机。传输电子显微镜(TEM) 能通过引起电子束通过具有几十到几百纳米范围量级厚度的薄膜样本传
输来观察投射图像。微焦点x射线管通过引起电子束撞击靶标来产生具
有亚u m到几u m范围量级小直径的X射线束。俄歇电子能谱仪检测俄歇 电子能量来进行样本上的元素分析。电子束光刻系统用电子束代替传统 技术中的光进行光刻。电子束刻录机产生用于高密度光盘的"主人 (master )，，。
下面不仅将给出微焦点X射线管的描述而且还将给出作为电子束光 刻系统例子的电子束曝光系统的描述。图7是微焦点X射线管的原理框 图，而图8是电子束曝光系统的原理框图。
装有电子束产生设备10的微焦点X射线管70，如图所示，包括通 过和电子束碰撞产生X射线的靶标60。电子束产生设备10不仅装有抑 制电极2、引出电极3、阳极4和会聚透镜5，而且还有可变光圈透镜(iris lens)6和物镜7。可变光圈透镜6具有光圈6a，光圈6a具有减小定义 电子束B会聚角的小孔的直径。从上游侧(发射器1侦0到下游侧在电 子束B照射方向按顺序依次放置会聚透镜5、可变光圈透镜6、物镜7 以及靶标60。靶标60用以钨为代表的产生X射线的材料形成。耙标60 对应于本发明的处理装置。
因为微焦点X射线管70具有其中电子束亮度在高束电流条件下不 衰减的肖特基发射器1，能够把当用电子束B照射靶标70时的电子束B 的角度抑制到很小，从而能够使得聚焦在靶标上的电子束尺寸很小。因 此，在靶标60上的X射线产生区域很小，并且提高X射线图像的空间分辨率。
装有电子束产生设备10的电子束曝光系统90包括在基板W上进行 曝光的曝光处理部分80，如图8所示。电子束产生设备10装有抑制
电极2;引出电极3;阳极4;以及会聚透镜5。曝光处理部分80装有
照射透镜81、成像透镜82;整形光圈83;消隐器(blanker) 84;标线 (reticle) 85;以及对比光圈86。标线85是曝光图样的原图。曝光处 理部分80对应于本发明的处理装置。
在图8所示的电子束曝光系统80中，把每对透镜5、 81和82—个200680055690. 4
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靠着一个放置。不仅把整形光圈83放在电子束B照射方向的会聚透镜5 的下游侧和照射透镜81的上游侧之间，而且还把消隐器84放在电子束 B照射方向的照射透镜81的上游侧和照射透镜81的下游侧之间。不仅 把标线85放在照射透镜81的下游侧和成像透镜82的上游侧之间，而且 还把对比光圈86放在成像透镜82的上游侧和成像透镜82的下游侧之 间。
因为电子束曝光系统90装有发射高亮度电子束B的肖特基发射器 1，能把会聚到标线85上一点的电子束B的角度抑制到很小，从而使得 能够提高聚焦到基板W上的曝光图样的空间分辨率。
(2) 在例子中，采用AC刻蚀方法来形成肖特基发射器1，从而不 暴露从抑制电极2向外在发射侧的发射器侧表面部分的(100)晶面，但 是并不限于AC刻蚀方法，只要不暴露发射器侧表面部分的(100)晶面 即可。
(3) 在例子中，肖特基发射器1具有这样的形状，其中没有暴露 从抑制电极2向外在发射侧的发射器侧表面部分的(100)晶面，同时除 非多余的引出电流受到抑制，肖特基发射器1不一定要求具有如图5B 所示的形状。例如，如图5A所示，多余的(100)晶面可以从抑制电极 2向外的部分暴露。
本发明在不背离其精神或其必要属性的情况下可以以其它具体的 形式实现，引出本发明的范围由所附权利要求而非以上说明书内容限定。
在本说明书中，动词"包括"具有其正常字典含义，表示非排除性 的包含。也就是说，词语"包括"(或任何其派生词)被使用来包括一个 或多个特征，而并不排除还包括其它特征的可能性。
在本说明书中公布的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附 图)，和/或公布的任何方法或处理的所有步骤，都可以以任何组合形式 来组合，除了其中至少部分特性和/或步骤是互斥的组合。
本说明书中公布的每个特征(包括任何所附权利要求、摘要和附 图)，可以用服务于同样、等同或近似目的的替换特征来代替，除非特别 陈述的以外。因此，除非特别陈述的以外，公布的每个特征都只是等同 或类似特征的普遍系列中的一个例子。本发明不受限于前述实施例的细节。本发明延伸到在本说明书中公 布的特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)的任何新的一个或任 何新的组合，或者延伸到公布的任何方法或处理的步骤的任何新的一个 或任何新的组合。
权利要求
1. 一种电子束控制方法，包括电子束产生步骤，该电子束产生步骤在向电子束发射侧的削尖成锥形的发射器的锥端施加电场时，利用肖特基效应从锥端发射电子来产生电子束，该方法进一步包括调节锥端曲率半径的曲率半径调节步骤；通过在曲率半径调节步骤中调节的曲率半径控制电子束焦距的焦距控制步骤；采用焦距控制步骤控制的焦距控制电子束的角电流密度的角电流密度控制步骤，其中电子束产生步骤在经过角电流密度控制步骤之后控制了角电流密度的状态下进行每次电子束发射。
2. 根据权利要求1的电子束控制方法，其中 在曲率半径调节步骤中在大于等于1 P m范围内选择曲率半径。
3. 根据权利要求l的电子束控制方法，还包括-调节突起长度的突起长度调节步骤，所述突起长度是锥端从抑制电极开始的长度，所述抑制电极是建立电场的两个电极中位于发射侧相反 侧的电极，并且当锥端在发射侧从抑制电极向外突起时，向所述抑制电 极上施加负电压；以及基于电场值设置突起长度和曲率半径的组合范围的组合范围设置 步骤，其中在突起长度调节步骤中，基于组合范围，在曲率半径调节步骤中调 节的曲率半径处，在组合范围中选择突起长度。
4. 根据权利要求3的电子束控制方法，其中在曲率半径调节步骤中在大于等于1 U m且小于等于4 tx m的范围中 选择曲率半径，以及基于组合范围和曲率半径，在曲率半径调节步骤中调节的曲率半径 处，从组合范围中选择范围为大于等于200 u m且小于等于1500 ii m的突 起长度。
5. 根据权利要求1的电子束控制方法，还包括发射器形成步骤，所述发射器形成步骤调节锥端突起长度，并且将 发射器形成为不暴露从抑制电极向外的位于发射侧的发射器侧表面部分 的晶面(100)，所述抑制电极被施加负电压并且是施加电场的两个电极 中位于发射侧相反侧的电极。
6. —种电子束产生设备，包括具有在电子束发射侧上的削尖成锥 形的锥端的发射器；以及向发射器锥端施加电场的两个电极，其中向锥 端施加电场从而利用肖特基效应发射电子来产生电子束，电子束产生设备的特征在于锥端曲率半径大于等于1 4 m。
7. 根据权利要求6的电子束产生设备，其中设置抑制电极和发射器，使得当锥端在发射侧从抑制电极向外突起 时，作为从抑制电极到锥端最顶点的长度的突起长度在大于等于200 nm 且小于等于1500um的范围中，其中抑制电极是建立电场的两个电极中 位于发射侧相反侧的电极，并且带有负电压，以及锥端曲率半径在大于等于1 y m且小于等于4 P m的范围中。
8. 根据权利要求6的电子束产生设备，其中发射器具有不暴露从抑制电极向外的位于发射侧的发射器侧表面 部分的晶面(100)的形式，所述抑制电极是建立电场的两个电极中位于 发射侧相反侧的电极，并且带有负电压。
9. 一种使用电子束产生装置的设备，包括具有在电子束发射侧上 的削尖成锥形的锥端的发射器；以及向发射器锥端施加电场的两个电极， 其中向锥端施加电场从而利用肖特基效应发射电子来产生电子束，电子 束产生设备的特征在于锥端曲率半径大于等于lPm， 该设备还包括基于电子束产生装置产生的电子束进行预定处理的处理装置。
10. 根据权利要求9的使用电子束产生装置的设备，其中 设置抑制电极和发射器，使得当锥端在发射侧从抑制电极向外突起时，作为从抑制电极到锥端最顶点的长度的突起长度在大于等于200 li m 且小于等于1500um的范围中，其中抑制电极是建立电场的两个电极中位于发射侧相反侧的电极，并且带有负电压，以及锥端曲率半径在大于等于1 u m且小于等于4 y m的范围中。
11. 根据权利要求9的使用电子束产生装置的设备，其中发射器具有不暴露从抑制电极向外的位于发射侧上的发射器侧表 面部分的晶面(100)的形式，所述抑制电极是建立电场的两个电极中位 于发射侧相反侧的电极，并且带有负电压。
12. 根据权利要求9的使用电子束产生装置的设备，其中 所述设备是进行样本分析或观察的电子探针显微分析仪，并且 所述处理装置通过用电子束照射样本以基于从样本上产生的X射线获取X射线图像，或者通过用电子束照射样本以基于从样本上产生的 二次电子或反射电子获取电子束图像，来进行样本分析或观察。
13. 根据权利要求9的使用电子束产生装置的设备，其中 所述设备是X射线管，并且所述处理装置是通过与电子束碰撞产生X射线的靶标。
14. 根据权利要求9的使用电子束产生装置的设备，其中 所述设备是电子束光刻设备，并且 所述处理装置使用电子束进行光刻。
15. —种产生电子束的发射器，其中在电子束发射侧上的发射器锥 端削尖成锥形，并且向所述锥端施加电场从而利用肖特基效应发射电子， 所述发射器的特征在于锥端曲率半径大于等于liim。
16. 根据权利要求15的发射器，其中锥端曲率半径大于等于1 P m且小于等于4 u m。
17. 根据权利要求15的发射器，所述发射器具有不暴露发射器侧表 面部分的晶面(100)的形式。
全文摘要
本发明提供一种具有在电子束发射侧曲率半径为2.0μm的锥端的肖特基发射器。因为曲率半径大于等于1μm，电子枪的焦距可以比在曲率半径在0.5μm到不超过0.6μm的范围的传统实践中的更长。发现焦距粗略地和曲率半径成正比。因为角电流强度(每单位立体角的束流)和电子枪焦距的平方成正比，可以在发射器半径可实现的增加内把前者提高一个数量级。更高的角电流强度意味着来自电子枪更大的可用束流，而本发明使肖特基发射器能够用于要求微安量级的相对高的束流的应用中，例如微焦点X射线管、电子探针显微分析仪和电子束光刻系统。
文档编号H01J35/00GK101506927SQ200680055690
公开日2009年8月12日 申请日期2006年6月30日 优先权日2006年6月30日
发明者多奎尔·威尔斯, 穆罕默德·戈马蒂, 藤田伸 申请人:株式会社岛津制作所;约克大学