CN102651295A - 稳定冷场发射电子源 - Google Patents

Abstract

公开一种用于诸如透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)或扫描电子显微镜(SEM)之类的聚焦电子束系统的冷场发射(CFE)电子源。源采用CFE尖头后面的发射器包围电极，它与抽取器电极结合来定义封闭体积，该体积能够通过电子碰撞解吸(EID)以及来自定位在发射器包围电极与抽取器电极之间的被加热灯丝的辐射加热来彻底清洁。抽取器电极可具有沉孔，沉孔限制在抽取器所生成的后向散射电子到达源和枪的尚未通过EID清洁的部分。在冷场发射之前的发射器包围电极和抽取器电极的预先清洁实质改进源发射稳定性和频率噪声特性，从而实现对TEM、STEM和SEM的应用是充分的时间间隔的源操作。

Description

稳定冷场发射电子源

技术领域

一般来说，本发明涉及电子源，更具体来说，涉及应用于聚焦电子束系统中的冷场发射电子源。

背景技术

在聚焦电子束系统中，镜筒通常用于将电子束聚焦到待成像目标的表面，并且(可选地)使用射束来处理。在这些镜筒中，电子源生成初始电子束，初始电子束则传递到电子“枪”中，电子枪通常将带电粒子聚焦到进入镜筒主体的大致平行射束中。各种类型的电子源已经用于聚焦电子束系统中，包括热离子阴极、肖特基发射器和冷场发射器(CFE)。它们之中，CFE的特征在于最高亮度和最小能量扩展，从而潜在地以最高电流密度来实现目标处的最小射束大小，因而实现改进的成像分辨率。然而，CFE源甚至在良好UHV(～10^-10托)条件下也呈现发射电流的极快(～0.5至1.5小时)猝熄(quenching)的趋势。在尝试解决或改善这个问题中，位于俄勒冈州的希尔巴罗的FEI公司研制了氧化W(111)CFE并且取得其专利(授予Tessner II等人的美国专利No.7888654“Cold Field Emitter”)，该CFE展示比先前(未氧化尖头)CFE源要慢许多的猝熄。但是，这些改进的CFE源在源操作的短周期之后仍然展示发射电流中的噪声。因此，需要一种在展示降低噪声的同时具有改进发射稳定性的CFE源。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有改进发射稳定性和降低噪声的冷场发射器(CFE)电子源。

在本发明的一些实施例中，定位在发射器包围电极与抽取器电极之间的灯丝(filament)用于清洁发射器尖头附近的表面。在一些实施例中，发射器包围电极与抽取器电极之间的间隙配置成限制后向散射电子的通路和/或降低气体分子流入尖头的区域。本发明的实施例已经示出显著改进稳定性并且降低CFE的噪声。

以上较为广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解下面对本发明的详细描述。下面将描述本发明的附加特征和优点。本领域的技术人员应当理解，所公开的概念和具体实施例可易于用作修改或设计用于执行本发明相同目的的其它结构的基础。本领域的技术人员还应当知道，这类等效构造没有背离所附权利要求书所提出的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更透彻地理解本发明及其优点，现在参照以下结合附图的描述，附图包括：

图1是用于测量轴上(on-axis)发射电流稳定性的测试装置中的现有技术冷场发射器电子源的示意图。

图2是展示发射的猝熄的现有技术冷场发射器源的实验结果的图表。

图3是展示不合需要的发射不稳定性的现有技术冷场发射器源的实验结果的图表。

图4是具有源基座中的脱气(outgassing)灯丝的现有技术冷场发射器电子源的示意图。

图5是工作在除气模式(degassing mode)的本发明的冷场发射器电子源的示意图。

图6是用于测量轴上发射电流稳定性的测试装置中的工作在冷场发射模式的本发明的冷场发射器电子源的示意图。

图7是本发明的冷场发射器电子源的一部分的示意图，示出源尖头区的第一实施例。

图8是本发明的冷场发射器电子源的一部分的示意图，示出源尖头区的第二实施例。

图9是本发明的冷场发射器电子源的一部分的示意图，示出源尖头区的第三实施例。

图10是本发明的冷场发射器电子源的实验结果的图表。

图11是示出用于制作本发明的冷场发射器电子源的方法的流程图。

图12是示出本发明的一个实施例的典型操作的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例提供一种具有改进发射稳定性和降低噪声的冷场发射器(CFE)电子源。实施例提供被认为极大地降低CFE源的正常冷场发射操作期间的发射器尖头的离子和中性分子轰击水平、同时还降低电子束所碰撞的表面上被吸附物的积聚速率的源结构。在一些实施例中，这通过下列步骤来实现：将发射器尖头装入发射器包围电极与抽取器之间，并且然后通过电子轰击和辐射加热的组合来彻底清洁内表面。这个清洁过程利用能够电子轰击发射器包围电极和抽取器的内表面并且还辐射加热这些表面-电子轰击和加热都用于在发起CFE发射以生成电子束之前从这些表面去除基本上全部被吸附物-的热离子灯丝。热离子灯丝可以是环状的并且以发射轴为中心，或者可具有任何形状并且处于任何位置或取向，使得来自灯丝的发射和/或辐射充分地分布到发射器包围电极和抽取器的表面，以便充分清洁表面。

在一些实施例中，限制结构、例如抽取器面向发射器尖头的一侧中的沉孔或埋头孔结构用于限制通过CFE电子与发射器的碰撞所生成的后向散射电子(BSE)，从而防止这些BSE撞击电子枪中可具有可解吸(desorbable)气体层的表面。研究表明，尖头发射不稳定性的原因是因被吸附物的污染以及通过因离子轰击引起的尖头形状的几何修改而引起的局部功函数和电场的变化。以下论述考虑这些影响的起源。

首先我们论述CFE发射稳定性和噪声的现有技术测量，包括所观测发射不稳定性的起源的分析。呈现噪声和发射猝熄的定量测量，以便在上下文中提出本发明的实验证明有益效果。然后论述降低噪声和改进稳定性的现有技术尝试，其中包括完全解决CFE源的噪声和稳定性问题的这些尝试的失败原因。最后，呈现本发明的源结构，并且描述它在除气和CFE操作模式中的操作。

现有技术CFE源的发射电流稳定性的测量

图1是用于测量轴上发射电流稳定性的测试装置中的冷场发射器(CFE)电子源的示意图100。多种物理影响在CFE发射器尖头103处或附近发生，这可对诸如扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)或扫描透射电子显微镜(STEM)之类的聚焦电子束系统中的源的稳定性和噪声等级具有有害影响。在典型CFE源中，从焊接到支承灯丝104的定向导线(oriented wire)102的尖端103发射电子。偏压施加在发射器尖头103与抽取器电极108之间，这在尖头103的表面创建极高的电场，由此引起电子从尖头103到尖头前面的真空中的隧穿。这些所发射电子形成定向到图1右边的射束106。射束106中的电子的大多数在区域110撞击抽取器108，同时发射分布的中心的小部分经过抽取器108中的孔113以形成射束112。用于测量发射稳定性的测试装置包括屏蔽板114以及电连接到静电计122的法拉第杯120。射束112的大多数在区域116撞击屏蔽板114，同时来自发射分布的中心的小部分118经过屏蔽板114中的孔130，并且由法拉第杯120来收集。这个所收集电流由静电计122来测量，并且然后传递给系统地124。由于在典型聚焦电子束系统中，只有来自尖头103的发射分布的中心的极小部分有助于样本处的最终射束电流，所以这里所示的测试系统配置成测量该中心部分，同时排除实际应用中通过孔排除在外(aperture away)(即，阻止传递到样本)的发射分布的其它部分。

射束106在区域110与抽取器108的碰撞引起二次电子(SE)160的发射。虽然尖头103与抽取器108之间的电压差主要在尖头103附近创建电场，但是足够的残余电场保留在区域110附近，将二次电子160(它们具有低能量)吸引回抽取器108，如图1的弯曲轨迹所示。射束106在区域110与抽取器的碰撞还引起后向散射电子(BSE)发射130-BSE的大多数具有与来自射束106的碰撞电子几乎相同的能量，因此如所示，区域110处的小电场无法防止BSE 130逸入电子枪的总体积。一些BSE 130传播到充分远离尖头103的枪的区域，以便对源操作没有引起明显影响。BSE 132能够被看到撞击表面136，解吸可传播到发射器尖头103的气体分子134，潜在地引起对尖头103的结构的溅射损坏或者吸附到尖头103。在尖头103的另一侧，BSE 142解吸和离子化来自表面138的分子144以传播到尖头103-由于尖头103上的负偏压，离子144将朝尖头103加速，潜在地引起对离子144与尖头103的碰撞点附近的局部尖头结构的溅射损坏。注意，表面136和138表示在从尖头103发起冷场发射之前的电子枪中没有清洁的任何表面(即，尚未从其中解吸吸附的分子)-表面136和138示为比实际源中的一般情况更靠近尖头103。在现有技术中，已经发现难以找到用于完全清洁可暴露于BSE的电子枪内部的所有表面的手段。可极化气体分子150可通过局部电场梯度被吸引到并且吸附到尖头103，从而改变功函数并且因而引起发射电流的变化。射束106与抽取器108的碰撞还能够从抽取器108的区域110解吸气体分子182-这些分子182随后可吸附在发射器尖头103上，通常增加局部功函数并且因而降低冷场发射电流。气体分子184通过来自射束106的电子186离子化，并且然后被吸引到负偏置尖头103，如对于离子144的情况。在一些情况下，对尖头103的溅射损坏可创建局部极尖锐区域，这些区域将展示增加的场发射-这种影响可引起发射电流的灾难性短暂增加，从而可能导致电弧以及随后破坏发射器尖头103。

图2是现有技术冷场发射器源的实验结果的图表200，展示随图1所示的CFE源和测试装置所观测的作为时间202的函数的发射的猝熄。沿轴204所绘制的归一化电流表示来自图1的静电计122的输出-注意，对于曲线206、208和210，轴204上的值“1.0”表示初始收集电流，其绝对值分别在曲线206、208和210之间可有所不同。在这里比较三个不同实验：1)曲线206表示对将近1.5小时的周期所获得的一系列法拉第杯电流读数，其中源在测量(由圆圈表示)之间关断(off)，并且总初始发射电流为100μA，2)曲线208表示初始总发射电流为80μA的源的连续操作，而3)曲线210表示初始总发射电流为100μA的源的连续操作。能够通过比较曲线206、208和210来得到若干重要结论：

1)在所有三种情况中，归一化法拉第杯电流对于不到1.5小时显著下降-这个时间帧对于CFE源在典型聚焦电子束系统中的实际应用太短。

2)对于关断模式情况(曲线206)，降低速率较小-这表明电流降低的一部分必定是射束诱发的，例如由图1所示的离子144和184对尖头103的轰击。

3)对于两种接通模式(曲线208和210)，降低速率比对于关断模式曲线206要高。

4)对于较高的总初始尖头发射(即，与曲线208中的80μA进行比较的曲线210中的100μA)，所收集电流降低更快，因为对于较大的总发射电流，局部气体解吸和离子轰击的速率增加-从而确认射束诱发过程有助于电流降低。特别是对于100μA曲线210，降低速率是灾难性的-在0.25小时(15分钟)之内，归一化法拉第杯电流已经下降大约80％。

图3是展示不可接受噪声等级的如图1所示的现有技术冷场发射器(CFE)源的实验结果的图表300。对于将近10小时跨度作为时间302的函数来绘制射束电流(单位为nA)304。甚至在行程开始附近，源展示在大约0.75小时处突然开始并且在1.5小时附近开始降低的噪声306，该噪声在3.0小时附近减少到行程中-这是现有技术发射器的特性，并且被认为至少部分产生于如下事实：发射器尖头103上有助于最终射束电流(即，进入图1的法拉第杯120的电流118)的物理区域的大小接近原子维，因而甚至单个被吸附物分子可对局部功函数具有显著影响，从而导致在这里看到的快速振荡电流波动，这些波动被认为产生于这些被吸附物进、出尖头103上的相关区域的快速运动。尖头本身中的原子的快速运动也被认为有助于这些波动。在7.0小时附近的噪声308的突发也展示这种突然接通和关断行为。

噪声在从4.2-5.3小时的时间周期320期间并且再次在6.25小时附近的时间周期322期间也是显而易见的-但是在比对于时间周期306和308要低的频率处，这种较低频率噪声在聚焦电子束系统中也是不可接受的。最后，在最右边，在7.9小时附近之后的时间帧330展示甚至更强烈的发射电流波动，这可先于因真空高电压击穿(电弧)而引起的发射器尖头的故障。

改进发射电流稳定性的现有技术尝试

图4是具有源基座中的脱气灯丝的现有技术冷场发射器电子源的示意图400。CFE发射器尖头403包括通常点焊到灯丝404的定向导线402的锐化端，灯丝404又焊接到两个安装立柱(mountingpost)490和492，安装立柱附连到诸如圆盘480之类的绝缘结构，以剖面示出。灯丝498安装在立柱494与496之间，并且电压施加在立柱494与496之间，以便引起灯丝498的欧姆加热。偏压施加在灯丝498与抽取器408之间-这个偏压用于吸引从灯丝498以热离子方式发射到抽取器408的电子420。电子420与抽取器408上的吸附的分子422的碰撞引起电子诱发解吸(EID)。通过充分数量的电子420，能够去除吸附的分子422的大多数。然而，在现有技术中，发现典型枪结构中的其它表面436和438(示为比实际源中的一般情况更靠近尖头403)接收轰击电子420的不充分通量(flux)，并且因而分别保留它们的被吸附物(例如434和444)的原始涂布的一部分。在图1中论述这些被吸附物434和444对正常源操作的有害影响。因此，用于就地清洁电子源和枪的现有技术方法的基本问题是因来自发射器尖头的一次电子束的碰撞而不能从枪中由从抽取器所发射的后向散射电子随后碰撞的表面充分去除被吸附物。在现有技术CFE源和枪设计中，使发射器尖头周围的区域与整体枪结构之间的泵速(pumpingspeed)尽可能大，以便允许周围气体从尖头流走-但是这无疑还允许气体流到尖头。

本发明的一个实施例的CFE电子源设计

图5是工作在除气模式的本发明的冷场发射器电子源的一个实施例的示意图500。CFE发射器尖头503是尖头导线502(通常为诸如钨之类的难熔金属的定向导线)的锐化端。尖头导线502可点焊到由安装在绝缘圆盘580中的立柱590和592所支承的灯丝504。为了只清洁发射器导线502和尖头503，通过将电压施加在立柱590与592之间，电流能够“闪”(flash)过灯丝504，由此短暂地将灯丝504、导线502和尖头503欧姆加热成足够热以去除被吸附物，恢复特征在于定向尖头导线502的碱金属(base metal)的功函数或者导线502和尖头503的氧化W(111)表面的功函数的初始清洁尖头结构，如2011年2月15日发布的美国专利No.7888654中所述。虽然这个尖头闪光过程(tip flashing process)在清洁导线502和尖头503中是有效的，但是它没有从抽取器508或者枪中可由来自抽取器的BSE碰撞的其它表面去除被吸附物，如图1所示。因此，能够比图4所示的现有技术更完全去除被吸附物的更彻底源和枪清洁方法是优选的。在本发明中，如图所示安装具有尖头导线502通过其中突出(通常突出～1.5mm)的孔554的发射器包围电极552。从尖头503到抽取器508的距离通常为～0.75mm。另外，圆形灯丝530从尖头导线502径向地向外定位，并且定位在发射器包围电极552与抽取器508之间。使用灯丝530的三种不同清洁模式是可能的：

1)纯EID解吸-在这种模式中，使用因施加在灯丝530(它由电流加热)与发射器包围电极552和抽取器508之间的电压-这引起电子520的热离子发射-而从灯丝530所发射的电子520和524的轰击来清洁发射器包围电极552和抽取器508的内表面。被吸附物分子522和526则被解吸和抽离(pump away)。发射器包围电极552和抽取器508的衬面(facing surface)之间的典型间隙的范围可从1.8至2.2mm-这允许用于去除解吸气体分子的充分径向泵速。

2)纯热解吸-在这种模式中，仍然加热灯丝530，但是偏压无需施加在灯丝530与发射器包围电极552或者抽取器508之间-被吸附物522和526则通过表面和分子的热激励去除。被吸附物的抽吸是与以上对于第一模式相同的。在短时间之内，可在发射器包围电极552和抽取器508上达到超过400℃的温度，从而有效地去除吸附的分子。

3)组合EID和热解吸-在这种模式中，通过来自灯丝530的热离子电子520和524的碰撞以及通过因来自被加热灯丝530的辐射引起的加热，去除被吸附物522和526。

间隙560在发射器包围电极552与抽取器508之间形成。在一些实施例中，间隙562在抽取器508中的孔550附近比在离孔550的轴外更远处要宽，从而在发射器尖头周围的区域中形成部分包围或屏蔽。限制空间可具有拱形形状(concave shape)，也就是说，在中心附近比在边缘处要厚。例如，图5示出面向尖头503的抽取器508的表面具有浅凹陷(～0.45mm深)、如沉孔，它与发射器包围电极552与抽取器508之间远离凹陷的窄间隙560耦合，形成尖头503周围的部分包围体积。在源操作期间，这个部分包围体积用于将离子化和中性分子的产生限制到发射器包围电极552和抽取器508的表面，同时防止在凹陷底部所生成的BSE达到枪中的其他表面(例如图1中的表面136和138)。发射器包围电极552和抽取器508的其它形状能够实现相同目的。例如，埋头孔、沉孔或者曲面能够结合到发射器包围电极552、抽取器508的任一个或两者中，以便产生发射器周围的部分包围空间。

图6是图1所示的用于测量轴上发射电流稳定性的测试装置中的工作在冷场发射模式的图5的CFE电子源的示意图600。图6与图1的比较示出本发明的一些实施例优于现有技术CFE源的优点。图5所示的清洁过程从由因尖头503与抽取器508之间所施加的电压所引起的电场而自尖头503所发射的射束602碰撞的所有表面彻底地去除了吸附的分子。因此，抽取器508的内表面604相对地没有被吸附物。来自表面604的BSE发射630通过发射器包围电极552和抽取器508中的沉孔的组合来限制，因而来自表面436和438的气体解吸(在这里未示出-参见图1)无法发生。电流测量装置与图1中相同-射束602的小部分606经过抽取器508中的孔550。所产生射束606的大多数在区域610撞击屏蔽板114，同时小中心部分612通过孔130进入法拉第杯120。由法拉第杯120所收集的电流由静电计122来测量，并且然后传递给系统地124。

发射器尖头区的第一实施例

图7是冷场发射器电子源的一部分的示意图，示出发射器尖头区的第一实施例700。发射器导线702具有锐化端703，锐化端703在尖头703处由施加于发射器尖头703与抽取器708之间的高电压所引起的高电场的影响下发射电子710。体积包围尖头703在发射器包围电极(EEE)752与抽取器708的内表面之间形成。清洁灯丝730示为在EEE 752与抽取器708之间。在这个第一实施例的源区的设计方面的一个重要考虑因素是EEE 752与抽取器708的外半径之间的纵横比以及分隔EEE 752和抽取器708的内表面的间隙。这个纵横比越大，则防止从抽取器708的内表面所生成的更多后向散射电子撞击枪中的其它(可能不清洁的)表面、如图1的表面136和138。对于这个第一实施例，EEE 752和抽取器708的内表面示为其外半径附近的平坦表面-因此从抽取器708上的区域704以大角度所发射的少量后向散射电子771可从源尖头区逸出。还有可能的是，以大角度从EEE 752所反射的少量后向散射电子772也从源尖头区逸出。

发射器尖头区的第二实施例

图8是本发明的冷场发射器电子源的一部分的示意图，示出发射器尖头区的第二实施例800。发射器导线802具有锐化端803，锐化端803在尖头803处由施加于发射器尖头803与抽取器808之间的高电压所引起的高电场的影响下发射电子810。清洁灯丝830示为在EEE 852与抽取器808之间。体积包围尖头803在发射器包围电极(EEE)852与抽取器808的内表面之间形成。对于这个实施例，抽取器808具有外屏蔽环890，外屏幕环890防止从抽取器808上的区域804所发射的后向散射电子871以及从EEE 852所反射的后向散射电子872的逸出，如图所示。这个第二实施例中的改进BSE密封(containment)的有益效果必须针对来自源尖头区的稍微降低的泵速进行平衡。这个第二实施例的附加有益效果在于，EEE 852和抽取器808的外半径可以更小，因为第一实施例700的纵横比考虑因素在这里因外屏蔽环890而不太重要。

发射器尖头区的第三实施例

图9是本发明的冷场发射器电子源的一部分的示意图，示出发射器尖头区的第三实施例900。发射器导线902具有锐化端903，锐化端903在尖头903处由施加于发射器尖头903与抽取器908之间的高电压所引起的高电场的影响下发射电子910。清洁灯丝930示为在EEE 952与抽取器908之间。体积包围尖头903在发射器包围电极(EEE)952与抽取器908的内表面之间形成。对于这个实施例，EEE 952具有外屏蔽环990，外屏蔽环990防止从抽取器908上的区域904所发射的后向散射电子971以及从EEE 952所反射的后向散射电子972的逸出，如图所示。这个第三实施例中的改进BSE密封的有益效果必须针对来自源尖头区的稍微降低的泵速进行平衡。这个第三实施例的附加有益效果在于，EEE 952和抽取器908的外半径可以更小，因为第一实施例700的纵横比考虑因素在这里因外屏蔽环990而不太重要。

本发明的CFE电子源的操作的实验结果

图10是体现本发明的方面的冷场发射器电子源的实验结果的图表1000。法拉第杯120(参见图1)上收集的射束电流在轴1004上作为时间(单位为小时)1002的函数来绘制，延伸到稍微超过9小时的源操作。曲线1006能够与图3的数据进行比较-噪声的实质降低是显而易见的，特别是对于操作的前5个小时。将框1008扩大为插图1010，示出作为曲线1006的一部分的曲线1012，以便突出对于从4至6小时的扩大时标的这种降低。因此，本发明的各个实施例展示如下优点：

1)从将由来自发射器尖头的发射电流轰击的表面(包括面向尖头的抽取器的表面以及面向抽取器的发射器包围电极的表面)去除被吸附物。

2)屏蔽尖头体积免受发射器包围电极的流入气体影响。

3)屏蔽内部枪表面免受从抽取器所发射的BSE影响。

4)加热/轰击灯丝处于小源体积内部，从而允许在较短时间充分清洁内表面(inside surface)。

5)源基于标准源安装结构，并且能够兼容诸如由位于俄勒冈州的希尔巴罗的FEI公司销售的之类的商业电子显微镜。

图11描述制作冷场发射器电子源的方法1100。在步骤1102，提供具有发射器尖头和发射器轴的发射器。例如在美国专利No.7888654中描述了制作发射器的方法，通过引用将其结合于此。在步骤1104，提供具有以发射器轴为中心、发射器贯穿其中的孔的发射器包围电极。在步骤1106，提供具有沿发射器轴的供电子束通过的孔的抽取器电极。在可选步骤1108，灯丝电极设置在抽取器电极与发射器包围电极之间，灯丝优选地具有环形形状，并且以发射轴为中心。步骤1110则包括使用在步骤1102、1104、1106和1108所提供的子部件(sub-assembly)和零件来组装冷场发射器源所需的步骤。在步骤1110所组装的源中，发射器包围电极和抽取器电极可选地配置成产生包含发射器尖头的限制空间，限制空间限制从抽取电极后向散射的电子的通路和/或降低气体流入限制空间。这个限制空间可通过提供具有面向发射器包围电极的凹陷的抽取器电极来形成。

图12示出本发明的一个实施例的典型操作的流程图1200。在步骤1202，发射器尖头首先经过闪光，并且然后将电压施加于清洁灯丝以引起通过清洁灯丝的加热电流，以便将清洁灯丝欧姆加热到高温-加热电流的范围可通常从1.5至5.0A。在可选步骤1204，将偏压施加在清洁灯丝与发射器包围电极和抽取器电极之间-典型偏压的范围可从几V至数kV，其中灯丝上的电压相对于发射器包围电极和抽取器为负。如果省略步骤1204，则在步骤1206的电极的清洁将完全为热处理(图5中的模式2)。如果没有省略步骤1204，则灯丝上的加热和偏压的组合引起在步骤1206从清洁灯丝的电子的热离子发射，以便轰击面向发射器导线的发射器包围电极和抽取器电极的表面，电子轰击激励从发射器包围电极和抽取器电极的分子的电子碰撞解吸-这对应于图5的清洁模式1或3。注意，在离开发射器包围电极和抽取器的表面的气体的电子碰撞解吸(EID)的情况下，可能需要通常在从数eV直到数keV的范围之内的某个最小电子轰击能量。因此，甚至通过进入待清洁的电极的某种功率(作为灯丝偏压乘以电子电流之积来计算)，如果轰击电子具有不充分能量来解吸单独气体分子，则也可存在气体的不充分解吸。相反，对于热气体解吸，赋予电极的总功率是清洁速率的主要考虑因素。清洁步骤1206通常持续数分钟至1-2小时。在清洁步骤1206之后，在步骤1208关断加热电流和偏压。在步骤1210，发射器尖头经过闪光，并且然后将抽取电压施加在抽取器与发射器之间(发射器上正电压)，以便引起电子从发射器尖头朝抽取电极的冷场发射。抽取电压通常在100V与4000V、更通常在1000V与3000V之间。

按照本发明的一些实施例，冷场发射电子源包括：电子发射器，具有形成发射器尖头的锐化端，发射器的轴定义源发射轴；抽取器电极，位于发射器尖头前面，抽取器电极具有大致以源发射轴为中心的孔；以及发射器包围电极，位于发射器尖头后面，发射器包围电极具有大致以源发射轴为中心的孔，孔直径大于发射器导线的直径。

在一些实施例中，冷场发射电子源还包括定位在发射器包围电极与抽取器电极之间的清洁灯丝。以及在一些实施例中，清洁灯丝具有环形形状，并且大致以源发射轴为中心。

在一些实施例中，冷场发射电子源还包括配置成将抽取电压施加在发射器导线与抽取电极之间的抽取电压源，抽取电压包括从发射器尖头朝抽取电极的冷场发射。

在一些实施例中，冷场发射电子源还包括灯丝电流源，灯丝电流源配置成提供通过清洁灯丝的电流以欧姆加热清洁灯丝。

在一些实施例中，冷场发射电子源还包括清洁灯丝偏压源，清洁灯丝偏压源配置成将电压施加在清洁灯丝与发射器包围电极和抽取器电极之间以引起从清洁灯丝的电子的热离子发射，以便轰击面向发射器导线的发射器包围电极和抽取器电极的表面，电子轰击激励分子从发射器包围电极和抽取器电极的电子碰撞解吸。

在一些实施例中，发射器包围电极与抽取器电极之间的空间定义间隙，该间隙的宽度在远离发射器尖头处更小。

在一些实施例中，抽取器电极包括面向发射器尖头并且以源发射轴为中心的凹陷，凹陷配置成主要将在抽取器电极所生成的后向散射电子限制到发射器包围电极与抽取器电极之间的体积。以及在一些实施例中，凹陷是沉孔。

按照本发明的一些实施例，操作冷场发射器电子源的方法包括下列步骤，其中源包括具有发射器尖头的发射器、发射器包围电极和抽取器电极：加热定位在发射器包围电极与抽取器电极之间的灯丝；停止灯丝的加热；以及将抽取电压施加到抽取器电极，以便引起从冷场发射器源的冷场电子发射。

在一些实施例中，加热定位在发射器包围电极与抽取器电极之间的灯丝包括加热大致以发射器为中心的环状灯丝。在一些实施例中，加热定位在发射器包围电极与抽取器电极之间的灯丝包括充分加热灯丝以加热抽取器和发射器包围电极，以便解吸其上吸附的分子。以及在一些实施例中，加热定位在发射器包围电极与抽取器电极之间的灯丝包括加热发射器包围电极与抽取器电极之间的限制空间中的灯丝。

在一些实施例中，操作冷场发射器电子源的方法还包括将电偏置施加在灯丝与发射器包围电极和/或抽取器电极之间，以便引起发射器包围电极和/或抽取器电极的电子轰击。

按照本发明的一些实施例，制作冷场发射器电子源的方法包括下列步骤，其中源包括具有发射器尖头的发射器、发射器包围电极和抽取器电极：提供具有发射器尖头和发射器轴的发射器；提供具有发射器轴上、发射器贯穿其中的孔的发射器包围电极；提供具有沿发射器轴的供电子束通过的孔的抽取器电极；其中发射器包围电极和抽取器电极配置成产生包含发射器尖头的限制空间，限制空间限制从抽取电极后向散射的电子的通路和/或降低气体流入限制空间。

在一些实施例中，限制空间在光轴附近比在远离光轴的点处要宽。

在一些实施例中，制作冷场发射器电子源的方法还包括提供在抽取器电极与发射器包围电极之间的灯丝。以及在一些实施例中，提供在抽取器电极与发射器包围电极之间的灯丝包括提供以发射器轴为中心的环状灯丝。

在一些实施例中，提供具有沿发射器轴的供电子束通过的孔的抽取器电极包括提供具有从抽取器电极到孔的边缘处发射器包围电极的第一距离以及从抽取器电极到远离孔的发射器包围电极的第二距离的抽取器电极，第二距离比第一距离要短，以便产生限制空间。

在一些实施例中，提供具有沿发射器轴的供电子束通过的孔的抽取器电极包括提供具有以孔为中心的埋头孔的抽取器电极，第一距离是埋头孔的底部与发射器包围电极之间的距离，而第二距离是从埋头孔的顶部到发射器包围电极的距离。

虽然详细描述了本发明及其优点，但是应当理解，能够对本文所述的实施例进行各种改变、替换和变更，而没有背离所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围。本发明的多个方面是新的，但并不是每一个实施例都将要求使用每一个方面。例如，发射器尖头后面的发射器包围电极的使用、尖头与抽取器电极之间的电极灯丝的使用以及发射器尖头周围的限制空间的使用都是有创造性的。本发明的方面能够应用于其它类型的发射器、如肖特基发射器。此外，本申请的范围不是要局限于本说明书中所述的过程、机器、制造、物质成分、部件、方法及步骤的具体实施例。通过本发明的公开，本领域的技术人员将易于理解，按照本发明，可利用当前存在或以后开发的、执行与本文所述的对应实施例基本相同的功能或者实现与其基本相同的结果的过程、机器、制造、物质成分、部件、方法或步骤。相应地，所附权利要求书意图在其范围内包括这类过程、机器、制造、物质成分、部件、方法或步骤。

Claims (20)

1.一种冷场发射电子源，包括：

电子发射器，具有形成发射器尖头的锐化端，所述发射器的轴定义源发射轴；

抽取器电极，位于所述发射器尖头前面，所述抽取器电极具有大致以所述源发射轴为中心的孔；以及

发射器包围电极，位于所述发射器尖头后面，所述发射器包围电极具有大致以所述源发射轴为中心的孔，孔直径大于发射器导线的直径。

2.如权利要求1所述的电子源，还包括定位在所述发射器包围电极与所述抽取器电极之间的清洁灯丝。

3.如权利要求2所述的电子源，其中，所述清洁灯丝具有环形形状，并且大致以所述源发射轴为中心。

4.如权利要求1所述的电子源，还包括配置成将抽取电压施加在所述发射器导线与所述抽取电极之间的抽取电压源，所述抽取电压引起从所述发射器尖头朝所述抽取电极的冷场发射。

5.如权利要求2所述的电子源，还包括灯丝电流源，所述灯丝电流源配置成提供通过所述清洁灯丝的电流以欧姆加热所述清洁灯丝。

6.如权利要求5所述的电子源，还包括清洁灯丝偏压源，所述清洁灯丝偏压源配置成将电压施加在所述清洁灯丝与所述发射器包围电极和所述抽取器电极之间以引起从所述清洁灯丝的电子的热离子发射，以便轰击面向所述发射器导线的所述发射器包围电极和抽取器电极的表面，所述电子轰击激励分子从所述发射器包围电极和抽取器电极的电子碰撞解吸。

7.如权利要求1所述的电子源，其中，所述发射器包围电极与所述抽取器电极之间的空间定义间隙，所述间隙的宽度在远离所述发射器尖头处更小。

8.如权利要求7所述的电子源，其中，所述抽取器电极包括面向所述发射器尖头并且以所述源发射轴为中心的凹陷，所述凹陷配置成主要将在所述抽取器电极所生成的后向散射电子限制到所述发射器包围电极与抽取器电极之间的体积。

9.如权利要求8所述的电子源，其中，所述凹陷是沉孔。

10.一种操作冷场发射器电子源的方法，所述源包括具有发射器尖头的发射器、发射器包围电极和抽取器电极，所述方法包括：

加热定位在所述发射器包围电极与所述抽取器电极之间的灯丝；

停止所述灯丝的加热；以及

将抽取电压施加到所述抽取器电极，以便引起从所述冷场发射器源的冷场电子发射。

11.如权利要求10所述的方法，其中，加热定位在所述发射器包围电极与所述抽取器电极之间的灯丝包括加热大致以所述发射器为中心的环状灯丝。

12.如权利要求10所述的方法，其中，加热定位在所述发射器包围电极与所述抽取器电极之间的灯丝包括充分加热所述灯丝以加热所述抽取器和发射器包围电极，以便解吸其上吸附的分子。

13.如权利要求10所述的方法，还包括将电偏置施加在所述灯丝与所述发射器包围电极和/或所述抽取器电极之间，以便引起所述发射器包围电极和/或所述抽取器电极的电子轰击。

14.如权利要求10所述的方法，其中，加热定位在所述发射器包围电极与所述抽取器电极之间的灯丝包括加热所述发射器包围电极与所述抽取器电极之间的限制空间中的灯丝。

15.如权利要求16所述的方法，其中，所述限制空间在光轴附近比在远离光轴的点处要宽。

16.一种制作冷场发射器电子源的方法，所述源包括具有发射器尖头的发射器、发射器包围电极和抽取器电极，所述方法包括：

提供具有发射器尖头和发射器轴的发射器；

提供具有所述发射器轴上、所述发射器贯穿其中的孔的发射器包围电极；

提供具有沿所述发射器轴的供电子束通过的孔的抽取器电极；

其中所述发射器包围电极和抽取器电极配置成产生包含所述发射器尖头的限制空间，所述限制空间限制从抽取电极后向散射的电子的通路和/或降低气体流入所述限制空间。

17.如权利要求16所述的方法，还包括提供在所述抽取器电极与所述发射器包围电极之间的灯丝。

18.如权利要求17所述的方法，其中，提供在所述抽取器电极与所述发射器包围电极之间的灯丝包括提供以所述发射器轴为中心的环状灯丝。

19.如权利要求17所述的方法，其中，提供具有沿所述发射器轴的供电子束通过的孔的抽取器电极包括提供具有从所述抽取器电极到在所述孔的边缘处的所述发射器包围电极的第一距离以及从所述抽取器电极到远离所述孔的所述发射器包围电极的第二距离的抽取器电极，所述第二距离比所述第一距离要短，以便产生限制空间。

20.如权利要求19所述的方法，其中，提供具有沿所述发射器轴的供电子束通过的孔的抽取器电极包括提供具有以所述孔为中心的埋头孔的抽取器电极，所述第一距离是所述埋头孔的底部与所述发射器包围电极之间的距离，而所述第二距离是从所述埋头孔的顶部到所述发射器包围电极的距离。

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