CN102789947B - 粒子源及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于制造粒子源的方法，包括：将金属丝置于真空环境中并通入活性气体，并对金属丝的温度进行调节，并对金属丝施加正高压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。

Description

粒子源及其制造方法

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用于制造粒子源的方法，包括：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。

根据本发明的实施例，停止场致刻蚀和场致蒸发并排除活性气体之后，通过加另一正高压使得针尖最顶层表面处产生场致蒸发，以移除针尖上附着的非金属原子或分子(例如活性气体分子)，并有选择地移除此处的金属原子，最终获得具有预定的最顶层原子数的针尖。

根据本发明的实施例，针尖最顶层原子数最少为1。

根据本发明的实施例，在正对金属丝头部并且垂直于金属丝轴线的位置放置导电荧光屏，并引入成像气体，以观察金属丝的头部状态。

根据本发明的实施例，在金属丝与导电荧光屏前放置微通道板MCP以辅助成像。

根据本发明的实施例，粒子源是电子源或离子源。

根据本发明的实施例，当场致刻蚀和场致蒸发同时进行并相互调节时，正高压V为恒定正高压。

根据本发明的实施例，所述底座和针尖具有轴对称形状。

根据本发明的实施例，金属丝被预加工为具有逐渐变细的头部。

根据本发明的实施例，通过调节活性气体的压强、金属丝的温度、正高压V的数值中的一个或多个量来控制场致刻蚀的精度和速度。

根据本发明的实施例，通过控制针尖的曲率半径和正高压V的数值来控制底座曲率半径的大小。

根据本发明的实施例，活性气体是O₂、N₂、CO、CO₂、其它含有氧元素或者氮元素的活性气体中的任意一种或其组合。

根据本发明的实施例，金属丝是难熔金属(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，所述金属丝是钨、钽、铼、钼、铌、铪、铱、锇、铑、钌、铂、钯、或金。

根据本发明的实施例，正高压的取值范围是3kV-100kV。

根据本发明的实施例，当活性气体为O₂时，气体的压强范围为10^-6Pa至10^-1Pa；当活性气体为N₂时，气体的压强范围为10^-6Pa至10^-2Pa；当活性气体为CO时，气体的压强范围为10^-6Pa至10^-1Pa。

根据本发明的实施例，在场致刻蚀过程中：当活性气体为O₂时，金属丝温度的范围为10K-200K；当活性气体为N₂时，金属丝温度的范围为10K-200K；当活性气体为CO时，金属丝温度的范围为10K-200K。

附图说明

参考附图并结合以下详细说明，可以更加清楚本发明的上述和其他优点。附图意在说明而非限制本发明。附图并非按比例绘制，其形状也是示意性的，而并非严格对应于实际产品的形状。

图1示出了根据本发明实施例的粒子源的结构示意图。

图2A示出了根据本发明实施例的粒子源与现有技术的金字塔形粒子源在用作电子源时的比较示意图。

图2B示出了根据本发明实施例的粒子源与现有技术的金字塔形粒子源在用作离子源时的比较示意图。

图3示出了根据本发明实施例的粒子源制造装置的示意图。

图4A～4C示出了根据本发明实施例的粒子源制造方法。

图5A～5E示出了根据本发明的粒子源制造方法的各个阶段中钨丝头部的状态。

具体实施方式

以下参考附图描述本发明的优选实施方式。应当理解，以下实施方式是示例性而非穷举性的，其仅用于说明本发明的原理，而并非意在限制本发明的范围。

图1示出了根据本发明实施例的粒子源100的结构示意图，其可用作电子源或离子源。

如图1所示，粒子源100包括针尖110和底座120。针尖110形成为底座120上的微小突起。针尖110顶部的曲率半径为纳米量级，最顶部一层原子数目最少可以只有1个。底座120的顶部形成平缓的突起，并且优选地关于中心轴线对称。优选地，底座120的曲率半径为微米或亚微米量级。优选地，针尖110位于底座120的正中心。底座120的曲率半径远大于针尖110的曲率半径。根据本发明的实施例，底座120的曲率半径与针尖110的曲率半径之比大于3∶1。

粒子源100通过在具有大尺寸底座上生成一个微小针尖，可以产生透镜效应，从而获得很小的束流角。根据本发明的实施例，粒子束被约束在极狭小的束流角内，可以显著提高束流密度。

当具有这种结构的粒子源用作电子源时，由于其电流利用率高，空间电荷总量减小，空间库伦斥力减小，因此提高了电子能量均匀性。优选地，当具有这种结构的粒子源用作电子源时，可以使针尖110的顶部仅具有1个原子，这样的电子束将拥有电子良好相干性。

图2A示出了根据本发明实施例的粒子源100与现有技术的金字塔形粒子源(美国专利US7368727B2)在用作电子源时的比较示意图。可以看出，根据本发明实施例的粒子源100的束流角远小于现有技术的金字塔形粒子源的束流角，因此其通过引出电极的电流比例远大于后者。

当具有这种结构的粒子源用作离子源时，由于底座具有较大的表面积，可以吸引更多的气体提供给针尖，从而实现大电流。图2B示出了根据本发明实施例的粒子源100与现有技术的金字塔形粒子源在用作离子源时的比较示意图。可以看出，在大小相当的情况下，根据本发明实施例的粒子源100的底座表面积远大于现有技术的金字塔形粒子源的底座面积，因此能够吸引更多气体以产生更大的离子电流。

图3示出了根据本发明实施例的粒子源制造装置的示意图。如图3所示，将金属丝置于真空环境内，并将其制冷，并通入活性气体。对金属丝施加正高压V。

该金属丝除了可以是难熔金属如钨、钽、铼、钼、铪、铌等，也可以是具有高度化学不活性的惰性金属，如铱、锇、铑、钌、铂、钯、金等。制冷后的金属丝表面吸附活性气体，并且优选地使得如下所述的刻蚀带具有适当的宽度。活性气体可以是O₂、N₂、CO、CO₂、其它含有氧元素或者氮元素的活性气体中的任意一种或其组合。活性气体的压强使得场致刻蚀具有合适的速度。活性气体的压强小于该活性气体的放电压强。正高压V使得金属丝头部的顶端表面的电场大于活性气体的电离电场，因此使得在金属丝的预定位置产生如下所述的刻蚀带。

优选地，如图3所示，金属丝头部(包括底部和针尖)具有轴对称的形状。金属丝可以例如被电化学刻蚀预处理为具有逐渐变细的形状的头部，所述头部优选地具有关于轴线对称的形状。

根据本发明实施例的粒子源制造方法是一个同时结合了场致刻蚀和场致蒸发的过程：正高压V在金属丝头部产生刻蚀带，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，此时正高压V必需是恒定正高压，因而确保了场致刻蚀和场致蒸发这两种机制相互调节并始终处于一个动态平衡状态，金属丝头部形状不停地变化直到变成了由较大底座和底座上较小针尖组成：场致刻蚀发生在侧面，形成了底座，而场致蒸发发生在头部顶端，形成了针尖。基于该制作原理，可实现对针尖曲率半径的原子级别的精确控制，对底部曲率半径的纳米级别的精确控制。

首先参考图4A说明场致刻蚀的过程。将金属丝制冷并置于活性气体氛围中，并对其施加正高压V，从而在金属丝表面形成电场。该电场的强度从下部到头部逐渐递增。

活性气体在金属丝表面的分布与相应位置处的电场强度有关。若电场强度超过气体的电离电场强度(E_I)，活性气体在距离金属丝表面一定距离处(约0.4nm)就会被电离，无法从真空中直接到达金属丝表面。因此，分布在电场强度大于E_I的区域的活性气体主要来源于场致迁移，即吸附于电场强度较低的金属丝表面处的活性气体在电场的作用下，沿着金属丝表面从低场强位置向高场强位置移动。因为这些活性气体紧贴(在0.4nm以内)金属丝表面分布，因此不会被电离。在这些活性气体往针尖头部迁移的过程中，若金属丝表面的电场超过场致刻蚀的阈值电场E_C，就会触发场致刻蚀，使得活性气体不断消耗，因此活性气体在金属丝表面的浓度随着电场的增强(即从底部朝向尖端的方向)而逐渐减少，其分布的上限就是可以触发刻蚀的最高位置，其对应于电场强度E_up。将电场强度为E_C的位置与该最高位置E_up之间的区域定义为刻蚀带。阈值电场E_C取决于金属丝材料和活性气体的成分。

场致刻蚀的速度和精度受到金属丝表面吸附的活性气体数量和活性气体沿着金属丝表面的迁移速率的影响。

刻蚀速度随着金属丝表面吸附的活性气体数量而递增。通入的活性气体的浓度越大(即压强越高)，金属丝表面吸附的活性气体越多，刻蚀速度越快。此外，温度越低，活性气体越容易吸附在金属丝表面上，但温度的下降会降低活性气体沿金属丝表面的迁移速率，从而降低刻蚀速度。另外，金属丝表面电场越强，越容易吸引活性气体。然而，本领域技术人员可以理解，当刻蚀速度较快时，刻蚀精度可能降低。因此，可以根据实际需要，通过调节通入的活性气体的压强、金属丝的温度和正高压V的数值，来调节刻蚀的速度和精度。

活性气体沿着金属丝表面的迁移速率越快，刻蚀速度越快。所述迁移速率主要取决于两个因素：(1)电场沿金属丝表面切向的梯度分布：该分布主要取决于金属丝表面的几何形状以及材料属性等因素。(2)活性气体的热运动能：通过调整金属丝温度，可以改变吸附于其表面的活性气体的热运动能大小，从而改变其迁移速率。

金属丝温度越低，活性气体的迁移速率就越低，刻蚀带就越窄，刻蚀可控制的精度就越高，但刻蚀速度就越慢。相反，金属丝温度越高，刻蚀带就越宽，刻蚀精度降低，刻蚀速度也就加快。因此，可以通过控制金属丝的温度控制场致刻蚀过程，以获得所需刻蚀精度和速度。

如图4A所示，在开始刻蚀时，选择足够高的正高压V使得金属丝顶端处电场强度超过气体的电离电场强度(E_I)以至在此处没有活性气体存在，即刻蚀带距金属丝顶端还有一定距离。根据金属丝头部的曲率半径大小选择合适的正高压，本发明的实施例，正高压V的范围可以在3kV-100kV之间。在刻蚀过程中，活性气体不断刻蚀金属丝侧面，使得刻蚀带的曲率变大，形成顶部平缓的底座，如图4B所示。具体地，活性气体与金属表面原子发生结合，从而削弱金属原子和其它相邻金属原子的结合力；在强电场的作用下，活性气体与金属原子的结合物从金属表面被蒸发出来。这个过程称为场致刻蚀。

下面参考图4B说明场致蒸发的过程。随着场致刻蚀的进行，金属丝刻蚀带以上的顶端处曲率半径变小，使得顶部电场E_top一直增强，当E_top增强到金属材料本身的场致蒸发电场E_P以上的时候，会引起顶部金属原子在强电场作用下直接从金属表面被拉出来。这个过程称为场致蒸发。

随着场致蒸发的逐步进行，金属丝头部逐渐减小，当头部减小到期望形状时，停止场致刻蚀和场致蒸发，以获得具有大底座和小针尖的粒子源，如图4C所示。停止场致刻蚀和场致蒸发之后，并将活性气体排除后，通过加另一正高压使得针尖最顶层表面处产生场致蒸发，以此移除针尖上以移除针尖上的附着的非金属原子或分子(例如活性气体分子)，并以此有选择地移除此处的金属原子，最终获得具有预定的最顶层原子数的针尖。

根据本发明的实施例，优选地，在获得所需形状的头部时，通过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的活性气体的迁移速率，然后切断正高压来停止场致刻蚀和场致蒸发。优选地，在降低金属丝温度和切断正高压之前停止导入活性气体。

根据本发明的实施例，在恒定正高压下，场致刻蚀和场致蒸发相互调节并始终处于一个动态平衡状态。场致刻蚀导致刻蚀带的曲率半径变大，进而电场变小。此时，头部中心区域的尺寸变小，曲率半径变小，电场增强，引起场致蒸发。场致蒸发使得金属丝头部中心区域的曲率半径变大，从纵向减小中心区域的尺寸。由于中心区域的表面电场一直维持在场致蒸发电场E_P，因此，中心区域几何形状的变化使得底部电场和头部电场差变小，这又会导致底座部分的电场变大。需要注意，底座的电场总体趋势是逐步减小的，当底座某个区域的电场减小到小于E_C，这个区域的场致刻蚀停止。

可以通过引入成像气体来观察场致刻蚀和蒸发过程。如图3所示，在金属丝正前方放置导电荧光屏。成像气体是惰性气体，如He、Ne等。在高压产生的强电场作用下，成像气体分子会被极化而被针尖吸引，当到达针尖头部后被电离后会轰击到荧光屏上，产生亮点，每个亮点对应于一个原子的像，从而可以观察金属丝头部的状态。根据本发明的实施例，在金属丝与导电荧光屏之前放置微通道板MCP，以辅助成像。

通过观察金属丝头部状态，可以在获得所需粒子源形状时停止场致刻蚀和场致蒸发，从而精确地控制粒子源形状。根据本发明的实施例，停止场致刻蚀和场致蒸发之后，可以只通过场致蒸发精确地控制针尖最顶层的原子数量。特别地，可以获得最顶层仅具有一个原子的针尖，其作为电子源具有良好的相干性。然而，本领域技术人员可以理解，该观察步骤不是必须的。在通过实验确定工艺参数后，可以省略该观察步骤。

根据本发明的实施例，可以精确地控制针尖和底部的曲率半径(R_Tip和R_Base)。如前所述，在刻蚀过程中，正高压V维持在一个恒定值。一旦场致刻蚀触发了场致蒸发，就同时实现了场致蒸发和场致刻蚀的相互调节过程。此时，通过同步观察监控针尖变化，当获得具有预定形状的粒子源时，停止场致刻蚀和场致蒸发，可以精确控制针尖曲率半径R_Tip到原子级别。

一旦场致蒸发开始，针尖最顶层电场E_top一直维持在金属丝材料的场致蒸发电场E_P，E_P是一个取决于材料和晶面的常数。为了方便说明，这里引入一个在场离子和场发射显微镜领域中普遍使用的参量——场增强因子β，其定义为：

E_top＝E_P＝V/β，即β＝V/E_P    (1)

β取决于针尖到荧光屏距离d，底座和针尖的曲率半径(R_Tip和R_Base)，可表示为如下函数：

β＝β(d，R_Base，R_Tip)。(2)

在制作过程中，场致刻蚀和场致蒸发发生的区域大小仅为微米量级，远小于通常场离子显微镜中d的设置(厘米量级)，因此d可看做常数，可以从公式(2)的变量中略去。此外由于R_Tip远小于R_Base，(2)式可以写作为

β＝β₁(R_Base)β₂(R_Tip)。(3)

其中β₁(R_Base)和β₂(R_Tip)为底座和针尖各自的场增强因子，取决于各自的曲率半径。

结合公式(1)和(3)，我们知道

${\mathrm{\β}}_1\left(R_{\mathrm{Base}}\right)=\frac{V}{E_P\×{\mathrm{\β}}_2\left(R_{\mathrm{Tip}}\right)}.---\left(4\right)$

如1中所述，可以精确控制R_Tip即β₂(R_Tip)，而E_P取决于材料本身，因此，β₁(R_Base)即R_Base可以通过调节V的数值来精确控制。

下面以单晶钨丝(<111>朝向)为例说明根据本发明实施例的粒子源制造方法。将钨丝制冷到10K-200K，例如为90K。并通入活性气体O₂。活性气体压强范围为10^-6Pa至0.1Pa，例如为1×10^-3Pa，并对钨丝施加3kV-100kV的正高压V，例如5kV。通过引入成像气体He，可以在正对钨丝的荧光屏上观察到钨丝头部状态。经过场致刻蚀和场致蒸发获得如图1所示形状的粒子源。

如上所述，可以在荧光屏上观察到针尖状态，从而精确地控制针尖的原子个数。当针尖最顶层原子个数达到要求时，降低针尖温度至低于O₂的沸点(此处为30k)，并切断正高压，以停止场致刻蚀和场致蒸发，得到所需形状的粒子源。停止之后，针尖表面可能附着有非金属原子或分子(例如活性气体分子)，可以只通过控制场致蒸发移除这些原子或分子，并有选择地移除此处金属原子以获得具有预定的最顶层原子数的针尖，最少可以是1个。

以上示例仅为说明而非限制本发明。如上所述，金属丝可以是难熔金属如钨、钽、铼、钼、铪、铌等，也可以是具有高度化学不活性的惰性金属，如铱、锇、铑、钌、铂、钯、金等。对于任意材料，控制正高压使金属丝头部顶端处表面电场大于活性气体的电离电场；控制活性气体的压强低于该活性气体的放电压强，并且控制金属丝的制冷温度使得活性气体分子能够吸附到金属丝表面。优选地，在场致刻蚀和场致蒸发开始后，保持正高压V为恒定值。

例如，当活性气体为O₂时，可以控制气体的压强范围为10^-6Pa至10^-1Pa。当活性气体为N₂时，可以控制气体的压强范围为10^-6Pa至10^-2Pa。当活性气体为CO时，可以控制气体的压强范围为10^-6Pa至10^-1Pa。

例如，当活性气体为O₂时，可以控制金属丝温度的范围为10K-200K。当活性气体为N₂时，可以控制金属丝温度的范围为10K-200K。当活性气体为CO时，可以控制金属丝温度的范围为10K-200K。正高压的取值范围可以是3kV-100kV。

本领域技术人员可以理解，以上数值范围仅是优选示例，其意在帮助理解本发明的原理和过程，而并不意味着不能以该范围以外的参数实现本发明。图5A～5E以单晶钨丝为例示出了根据本发明的粒子源制造方法的各个阶段中钨丝头部的状态。其中将钨丝制冷到90K，并通入活性气体O₂。活性气体压强为1×10^-3Pa，并对钨丝施加5kV的正高压V。

图5A示出了钨丝头部的初始状态。图5B～5D示出了引入活性气体1小时、2小时和2.5小时之后的状态。图5E示出了3小时后的最终状态，画面中心的亮点表明针尖只有一个原子。

根据本发明的方法可以制造用于电子显微镜的电子源、离子显微镜的离子源、电子束光刻机的电子源、离子束光刻机的离子源和用于微焦点X射线管的电子源，也可以用于制造用于其他用途的粒子源。根据本发明的方法可以精确地控制粒子源的针尖原子数，并最少使其原子数为1。

根据本发明的方法，能够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。根据本发明获得的电子源发射的电子束具有良好的空间相干性。

以上参考具体实施例描述了本发明的原理。本领域技术人员可以理解，以上列举的各个细节仅用于说明而非限制本发明。以上方法所包括的步骤可以以不同的顺序执行，只要其能够实现本发明的目的。本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (25)

1.一种用于制造粒子源的方法，包括：

将金属丝置于真空环境中并通入活性气体，对金属丝的温度进行调节，并对金属丝施加正高压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。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

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。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述活性气体的压强低于该活性气体的放电压强。

4.根据权利要求1所述的方法，其中：

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。

5.根据权利要求1所述的方法，其中：

通过场致刻蚀形成粒子源的底座。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：

通过场致蒸发形成粒子源的针尖。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：

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。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

通过停止活性气体导入，来停止场致刻蚀和场致蒸发。

9.根据权利要求1所述的方法，其中：

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。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括：

停止场致刻蚀和场致蒸发并排除活性气体之后，通过加另一正高压使得针尖最顶层表面处产生场致蒸发，以移除针尖上附着的非金属原子或分子，并有选择地移除此处的金属原子，最终获得具有预定的最顶层原子数的针尖。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中：

针尖最顶层原子数最少为1。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在正对金属丝头部并且垂直于金属丝轴线的位置放置导电荧光屏，并引入成像气体，以观察金属丝的头部状态。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

在金属丝与导电荧光屏前放置微通道板MCP以辅助成像。

14.根据权利要求1所述的方法，其中：

粒子源是电子源或离子源。

15.根据权利要求1所述的方法，其中：

当场致刻蚀和场致蒸发同时进行并相互调节时，正高压V为恒定正高压。

16.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述底座和针尖具有轴对称形状。

17.根据权利要求1所述的方法，其中：

金属丝被预加工为具有逐渐变细的头部。

18.根据权利要求1所述的方法，其中：

通过调节活性气体的压强、金属丝的温度、正高压V的数值中的一个或多个量来控制场致刻蚀的精度和速度。

19.根据权利要求1所述的方法，其中：

通过控制针尖的曲率半径和正高压V的数值来控制底座曲率半径的大小。

20.根据权利要求1所述的方法，其中：

活性气体是O₂、N₂、CO、CO₂、其它含有氧元素或者氮元素的的活性气体中的任意一种或其组合。

21.根据权利要求1所述的方法，其中：

金属丝是熔点在2200℃以上的金属，或化学活性极弱的惰性金属。

22.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属丝是钨、钽、铼、钼、铌、铪、铱、锇、铑、钌、铂、钯、或金。

23.根据权利要求20所述的方法，其中：

正高压的取值范围是3kV-100kV。

24.根据权利要求22所述的方法，其中：

当活性气体为O₂时，气体的压强范围为10^-6Pa至10^-1Pa；

当活性气体为N₂时，气体的压强范围为10^-6Pa至10^-2Pa；

当活性气体为CO时，气体的压强范围为10^-6Pa至10^-1Pa。

25.根据权利要求22所述的方法，其中，在场致刻蚀过程中：

当活性气体为O₂时，金属丝温度的范围为10K-200K；

当活性气体为N₂时，金属丝温度的范围为10K-200K；

当活性气体为CO时，金属丝温度的范围为10K-200K。