CN110199374B - 光学寻址的、热电子电子束装置 - Google Patents

光学寻址的、热电子电子束装置 Download PDF

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Abstract

提供一种电子束源，其包括形成腔室的容器、设置在腔室内的阴极、设置在腔室中的电极和腔室中的电子发射窗口，所述阴极包括具有各向异性受限导热率的低维导电材料，所述电极可连接到电源用于相对于阴极向电极施加正电压，用于在阴极被电磁(EM)辐射照射使得阴极热电子地发射自由电子时用于加速自由电子离开阴极以形成电子束，所述腔室中的电子发射窗口用于将产生的电子束传递出腔室。还提供了包含电子束源的电子显微镜。

Description

光学寻址的、热电子电子束装置
技术领域
本公开总体涉及用于光学寻址、热电子地产生电子束的装置。
背景技术
电子束(电子束)用于许多应用中，包括电子显微镜、光刻、焊接、光电耦合器/转换器和显示屏。传统上，利用热电子阴极的电子束源大，制造昂贵，需要大量能量来产生电子束，并且通常在高真空状态下具有内部压力，即10-6Torr或更低。
因此，希望提供一种可用于各种应用的紧凑、低成本、低功率的电子束源。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种电子束源，其包括形成腔室的容器，设置在腔室内的阴极，设置在腔室中的电极，所述阴极包括具有各向异性受限导热率的低维导电材料，所述电极可连接到电源用于相对于阴极向电极施加正电压，以在阴极被电磁(EM)辐射照射时加速自由电子离开阴极使得阴极热电子地发射自由电子以形成电子束，并且腔室中的电子发射窗口用于将产生的电子束传递出腔室。
根据本公开的另一方面，提供了一种电子显微镜，其包括电子源，所述电子源包括形成腔室的容器，设置在所述腔室内的阴极，设置在所述腔室内的电极，所述阴极包括具有各向异性受限导热率的低维导电材料，所述电极可连接到电源用于相对于阴极向电极施加正电压，以在阴极被电磁(EM)辐射照射时加速自由电子离开阴极使得阴极热电子地发射自由电子以形成电子束；用于将产生的电子束从腔室中传递出去的容器中的电子发射窗口，用于保持样品的样品台，所述样品台位于电子发射窗口附近使得来自电子束源的产生的电子束照射样品台，所述样品台包括电子检测器、聚焦元件和扫描机构，所述电子检测器用于检测保持在样品台中的被电子束源产生的电子束照射样品所产生的二次和背向散射电子，所述聚焦元件位于电子束源的电极和样品台之间，用于将由电子束源产生的电子束聚焦在样品台上的样品上，所述扫描机构用于执行机械移动样品和偏转入射在样品台上的电子束中的一个，使得电子束在样品台中保持的样品上扫描。
通过结合附图阅读以下具体实施例的描述，本公开的其他方面和特征对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
现在将参考附图仅通过示例的方式描述本公开的实施例。
图1是表示作为各种材料温度的函数的总加热效率曲线图。
图2A至2C示出了根据本公开的示例电子束源的横截面视图；
图3A至3D示出了根据本公开的示例电子束源的横截面视图，该电子束源包括用于引导EM辐射的反射镜；
图4示出了根据本公开的示例电子束源的横截面图，该电子束源包括具有成形表面的阴极；
图5A和5B示出了根据本公开的示例扫描电子显微镜(SEM)的横截面视图；和
图6示出了根据本公开的容纳在单个容器中的示例SEM的横截面图。
具体实施方式
通常，本公开提供了一种紧凑电子束(电子束)源，其利用少量的输入功率并且相对于传统的电子束源成本有效地制造。所公开的电子束源可以是独立的模块，其可以容易地在利用电子束的设备内结合或替换。本公开还提供了利用所公开的电子束源的扫描电子显微镜(SEM)。
本公开的电子束源利用阴极，所述阴极包括具有各向异性限制的导热率的低维导电材料，其可以被光学加热以热电子地产生自由电子。
“低维”是指其中电和热行为与块状材料不同的材料，并且可以通过将材料约束为少于三维来近似。例如，低维材料可以是“基本上一维”或“准一维”材料，出于本公开的目的，该材料是具有二维长度的材料，其在声子的波长的数量级上通常为几十纳米，并且比第三维的长度短至少5倍。基本上一维材料的非限制性示例包括纳米管，纳米线和纳米纤维，其直径小于100nm，长度直径比至少为5。例如，基本上一维材料包括但不限于碳纳米管、氮化硼纳米管、钨纳米线、铂纳米线、钇纳米线、氮化镓纳米线、硅纳米线、钼纳米线、铬纳米线、钛纳米线、镍纳米线、钽纳米线、铼纳米线、铌纳米线、由氧化物例如氧化硅、氧化镁、氧化铝、氧化锌、氧化钡制成的纳米线。
通过用聚焦的电磁(EM)辐射(诸如例如聚焦激光)照射材料的表面，可以将这种具有各向异性限制的导热性的低维导电材料加热到1000K或更高的热电子温度。当在阴极材料中达到热电子温度时，将从加热区域产生自由电子。
用于加热阴极材料的EM辐射的波长可以选择为例如紫外、可见或红外波长，这取决于阴极材料的吸收率。Em辐射的功率可以在小于1mW至几百mW的范围内。根据应用，照射光斑尺寸将在小于1微米到几百微米的范围内。由于阴极材料的低维性质和导热系数的温度依赖性，EM辐射将通过所谓的热阱效应局部加热被照射的点，其特征在于导体中的热的强定位，具有最小导热损耗。参考图1中所示的加热效率曲线图100可以理解热阱效应。图1是显示作为各种材料温度的函数的总加热效率的曲线图。曲线图100示出了与不经历热阱效应的非各向异性材料相比，各向异性材料由于热阱而表现出更高的加热效率。
在一个示例中，适合于所公开的电子束源的阴极的材料是这样的材料，当用具有高于阈值的功率密度的电磁(EM)能量照射材料的区域时，该区域被加热并且在照射区域和材料的其余部分之间形成具有至少0.1K/μm的量级的温度梯度，使得在照射区域处热电子地产生自由电子。
选择用于阴极的低维材料可以是具有大于0.1K/(W/μm)的加热效率的材料，其中加热效率定义为，
Figure GDA0002146639490000031
其中
Figure GDA0002146639490000032
是以开尔文为单位的峰值温升，T0是以开尔文为单位的环境温度，
Figure GDA0002146639490000033
是以W/mK为单位的材料的温度依赖性导热系数，并且CE±、CE＝和OE＝分别是沿着用EM能量照射的表面的两个轴和垂直于照射表面的轴线的无量纲热各向异性系数。理想地，材料的加热效率大于0.1K/(W/m)，更理想地大于1K/(W/m)。
不希望受理论束缚，已经预测快速加热例如基本上地一维热各向异性材料所需的EM能量的阈值功率密度与光斑尺寸区域的平方根成反比，因为一维材料的股线的热各向异性沿着股线的长度线性地约束了光斑内的热传导。这在P.Yaghoobi的论文“碳纳米管阵列的激光诱导电子发射”(参见，例如，第5.3.3节)中有更全面的描述，可以在https://open.library.ubc.ca/cIRcle/collections/ubctheses/24/items/1.0072733找到，其全部内容在此通过引用整体并入。
目前，在普通电子束源中使用的阴极材料通常是由诸如钨丝或六硼化镧的块状材料形成的热电子源。利用由上述低维材料制成的阴极有利于制造高度紧凑和便宜的阴极，用于例如极其简单和便宜的新型SEM，与目前最便宜的价值大约数万美元的SEM选择相比，成本为大约数百美元。高度紧凑，低成本的SEM可以大规模地提供高分辨率成像，包括发展中国家的诊所和实验室，其否则无法获得这种成像。
现在参考图2A和2B，描述了电子束源的示例。图2A中所示的电子束源200包括限定真空腔室204的容器202。容器202可以由适于形成真空腔室204的任何材料制成，例如金属或玻璃。尽管图中所示的容器具有基本上矩形的形状，但容器可具有任何合适的形状。例如，容器202可以由具有大致卵形形状的吹制玻璃形成。
图2A中所示的示例电子束源200的容器202包含阴极206、电极208、可选的内部电子聚焦元件210和可选的内部电源212。阴极206、电极208、可选的内部电子聚焦元件210和可选的内部电源212可以通过任何合适的装置(未示出，包括例如联接到容器202的安装支架)固定到容器202。
阴极206包括如上所述的低维导电材料。阴极206的尺寸通常可以在每侧上从几分之一毫米到几毫米，但是对于某些应用可以使用更大的多的尺寸。例如，可能需要利用较大的阴极以从多束EM辐射产生多个电子束，或者利用宽的EM辐射束来产生宽电子束。
如上所述，阴极206的表面可以通过EM能量加热，以使阴极206热电子地产生自由电子。在图2A所示的电子束源200中，来自外部EM辐射源(未示出)的EM能量217通过容器202中的EM窗口216进入电子束源200，以照射阴极206的表面。
虽然图2A示出了通过EM窗口216进入的EM辐射的射线。在其他实施例中，EM窗口216可以是容器202中的密封端口，光纤可以通过该密封端口延伸到真空腔室204中。光纤可以位于阴极206的近侧，使得来自源的EM辐射穿过光纤并且离开到阴极206的表面上。
如上所述，EM辐射217可以来自多种源中的一种，包括例如激光、白炽光源或太阳光。EM辐射源可具有小于mW至几百mW的功率。根据应用，照射光斑尺寸将在小于1微米到几百微米的范围内。光斑尺寸可以通过例如所需的电子束的宽度、或者通过电子束的所需电子电流或两者来确定。
鉴于来自所公开的低维材料的热电子发射在EM辐射217的相对低功率下是可能的，EM辐射源可以是紧凑的半导体激光器，例如电池供电的手持激光器或芯片上的片上半导体激光器。
可以通过例如利用透镜(未示出)将EM辐射217聚焦到阴极206上来控制光斑尺寸。透镜可以位于容器202的外部，或者可以包括在内部以在进入容器202之后聚焦EM辐射217。
由于阴极206的低维性质和导热率的温度依赖性，如上所述，EM辐射217通过热阱效应局部加热阴极206的照射光斑，导致自由电子在照射光斑热电子地产生。
电极208和阴极206可以分开例如约1mm至几mm的距离。电极208具有相对于阴极206施加到其上的正偏压，以加速在阴极206处产生的自由电子而形成电子束209。取决于期望的电子束209的电子能量，正偏压可以是几伏到几百伏到几千伏。如果例如电子束209必须通过形成厚电子窗口214的相对膜或通过多个电子窗口离开，则可能需要更高能量的电子束209。此外，较高能量的电子可以有助于将电子束209聚焦到较小的横截面，这可以在SEM应用中使用时产生更高的分辨率。当电子束不必穿过形成电子窗口214的膜时，或者为了避免在例如SEM应用中损坏或加热样品，可能需要较低能量的电子。
在一些情况下，可以通过向阴极206施加负电压以将所产生的自由电子排斥远离阴极206而产生电子束209来提供施加到电极208的相对于阴极206的正偏压。在这种情况下，电极208可以接地，或者可以通过电源施加正电压。
电极208可以由例如其中具有孔的金属板形成，以使电子束通过。或者，电极208可以是例如金属栅格或网格，其包括多个孔，用于由阴极206产生的自由电子通过。在图2A所示的实施例中，正偏压由连接到电极208和阴极206的可选内部电源212施加。在其他实施例中，可以省略内部电源212，并且可以通过其他装置(例如通过穿过容器202的引线连接到阴极206和电极208的外部电源)将正偏压施加到电极208。(例如，如图2B所示)。产生的电子束209通过容器202中的电子窗口214离开电子束源200。
电子窗214可以是薄膜，电子束209可以通过该薄膜。适于形成薄膜电子窗214的材料包括例如氧化硅、氮化物、氧化铝和石墨烯。例如，已经显示约0.5％的低能电子(即5eV)穿过总厚度为100nm的多层石墨烯。具有较高能量的电子将具有基本上更高的穿透率。取决于用于电子窗口214的膜的材料和厚度，以及所需的电子束209的输出电流水平，施加到电极208的正偏压可加速电子束209的电子到足够高的能量以通过电子窗口离开。或者，可以使用放置在容器202内部或外部并具有足够高的正偏压的额外加速电极来进一步加速电子束209的电子，从而导致更高比率的电子通过电子窗口214。
提供薄膜电子窗214使得容器202能够被完全密封以维持真空腔室204中的真空环境。在密封容器202之前，可以通过将腔室204抽空到小于0.1Torr的压力，更希望小于10- 3Torr的压力来提供真空环境。因为阴极206由相对低能量的EM辐射217加热，所以腔室204内的真空可能比传统电子束源内提供的真空更差。例如，腔室204内的真空可以大于例如10-5Torr，而传统的电子束源通常包括高真空状态的内部环境，即10-6Torr或更低。
或者，不是完全被密封，而是容器202可以包括通风口(未示出)，该通风口可以连接到外部真空泵(未示出)，以在真空腔室204内提供真空环境。例如，不是使薄膜作为电子窗口214，电子窗口214可以由容器202中的小开口提供，电子束209可以通过该开口离开电子束源200。在该示例中，容器202包括通风口(例如，参见图3)，通风口可以连接到外部真空泵以维持腔室204内的真空环境。电子窗口214的开口可以位于容器202的与阴极206相对的末端，并且其尺寸可以使得阴极206所在的容器202末端的压力保持小于0.1Torr，并且希望小于10-2Torr。
可选的内部电子聚焦元件210聚焦电子束209。电子聚焦元件210可以是任何合适的聚焦元件诸如例如聚焦磁体、电磁透镜、静电透镜或其组合。可选的内部电子聚焦元件210可以通过延伸穿过容器202的引线(未示出)连接到电源(未示出)。
在其他实施例中，可以从电子束源200省略内部电子聚焦元件210。在这样的实施例中，电子束209聚焦可以由单独的外部聚焦元件提供，如下面参考图2B更详细地描述的。
参考图2B，示出了电子束源250的替代实施例，其包括限定真空腔室254的容器252，真空腔室254包括阴极256和电极258。容器252包括电子窗口264。容器252、阴极256、电极258、电子窗口264可以基本上类似于先前描述的容器202、阴极206、电极208和电子窗口114，因此这里不再进一步描述。
电子束源250包括内部EM源266，其提供用于加热阴极256的EM能量267。内部EM源266可以包括电引线268a、268b，电引线268a、268b延伸穿过容器252中的密封开口270a、270b，如图2B所示。尽管图2B中示出了两个密封开口270a、270b，电引线268a、268b可以穿过单个密封端口。
电引线268a、268b可以联接到电源以向EM源266提供电力以产生EM辐射267。EM源266可以是例如固态激光器。或者，不是使引线268a，268b延伸穿过端口270a、270b，而是内部EM源可以包括内部电源，例如电池。
此外，不是利用图2A中所示的电子束源200的内部电源212来在电极258处提供正偏电压，分别联接到阴极256和电极258的电引线274a、274b穿过相应的密封端口276a、276b，使得电极258和阴极256可以连接到外部电源，用于在电极258处提供正偏压。
此外，图2B中所示的电子束源250不包括包含在如图2A中所示的电子束源200中的可选的内部电子聚焦元件210。而是，可以利用与电子束源250分开的外部电子聚焦元件272来聚焦离开电子束源250的电子束259。或者，外部电子聚焦元件272可以定位在电子束源250周围，使得电子束259在离开电子束源250之前而不是在如图2B所示离开之后聚焦。
配置图2A和2B中所示的示例电子束源，使得EM辐射入射在阴极的正表面上。然而，EM辐射可以入射在例如阴极的背面上，并且电子束从相对的正面加速远离阴极，如下面参考图2C所述。
图2C示出了示例电子束源280，其包括限定真空腔室284的容器282。容器202包含阴极286和电极288。容器282包括电子窗口294和EM窗口296。容器282、阴极286、电极288、电子窗口294和EM窗口296可以基本上类似于先前描述的容器202、阴极206、电极208、电子窗口114和EM窗口116，并且因此在此不再进一步描述。与图2B中所示的电子束源250一样，阴极286和电极288包括相应的电引线290a、290b，电引线290a、290b穿过容器182的相应密封端口292a、292b，以便向电极288提供正偏压。
在图2C中所示的示例电子束源280中，EM窗口位于阴极286的后面，使得EM辐射297被引导到阴极186的背表面287a上，阴极186的背表面287a与最靠近电极188的正表面287b相对。这里使用术语“正”和“背”来表示元件相对于其他元件的取向，如图中所示，并且不旨在以其他方式进行限制。
因为EM辐射入射在阴极286的背表面287a上，所以在背表面287a处产生自由电子。然而，由于电极288引起的加速，自由电子然后穿过阴极286并在正表面287b处远离阴极286加速。另外，光和热可以穿透阴极286以在正287b处或附近引起加热。因此，从背表面287a到正表面287b测量的阴极材料286的厚度足够小，以便于在正表面287a、在背表面287a和正表面287b之间的内部区域中促进足够数量的产生的自由电子在正表面287b处离开阴极286以形成电子束289。在这种配置中，将会促进光和热或足够数量的电子传递到正表面287b的阴极286的厚度取决于形成阴极286的材料的孔隙率和密度。例如，对于碳纳米管森林，约100μm或更小的厚度就足够了。
通常，电子可以从最靠近电极的阴极表面发射，如图2A和2B中所示的示例中所示，或从任何其他表面，例如背向电极的表面或阴极的任何其他部分。电子从阴极发射的位置可以取决于例如阴极和入射EM辐射的配置和特性。例如，与具有较低功率密度的EM辐射相比，用具有较高功率密度的EM辐射照射阴极可能导致整个阴极材料的加热，所述具有较低功率密度的EM辐射可能导致加热基本上限制在EM辐射入射的阴极表面上。作为另一个例子，用入射在阴极的背离电极的表面上的EM辐射照射阴极可以主要在该照射表面处引起加热，使得电子发射主要来自背离电极的表面。从阴极的任何部分发射的电子可以形成电子束，该电子束由于施加到电极的加速电压而被导向样品。
在图2A至2C中所示的电子束源200、250、280中，EM辐射直接入射在阴极上。然而，在其他实施例中，电子束源可以包括反射镜，其将进入容器的EM辐射反射到阴极上。可以利用反射镜来促进例如照射阴极的正表面，而不使EM辐射被电子束源的其他元件或部件阻挡。此外，具有也用作聚焦元件的曲面反射镜，其比通过外部或内部聚焦元件(例如透镜)可能更接近阴极可以促进更好地将EM辐射聚焦到较小的光斑尺寸上，如上所述，产生较窄的电子束，这在一些应用例如SEM应用中是有益的。
图3A至3D示出了电子束源300、330、350、370的示例，其包括将EM辐射反射到阴极上的反射镜。所有电子束源300、330、350、370包括限定真空腔室304的容器302。容器包含阴极306和电极308，并且包括EM窗口316和电子窗口314，所有这些都可以构造成基本上类似于前面参考图2A描述的容器202、阴极206、电极208、EM窗口216和电子窗口214，因此这里不再进一步描述。
示例电子束源300、330、350、370的容器302包括通气口320，通气口可连接到外部真空泵(未示出)，用于在真空腔室304内提供真空环境。此外，示例电子束源300、330、350、370可以包括未在3A至3D中示出的其他先前描述的可选元件。尽管为了清楚起见未示出，但是示例电子束源300、330、350、370包括内部电源和电引线中的一个，以将正偏置电压施加到电极308。此外，示例电子束源300、330、350、370可以包括可选的内部电子聚焦元件，用于聚焦所产生的电子束319。
现在参考图3A，电子束源300包括反射镜305，其将已经穿过位于阴极306后面的EM窗口316的EM辐射317重定向到阴极306的正表面307上。在示例电子束源300中，反射镜305基本上是平面的，并且EM辐射317可以通过外部透镜(未示出)聚焦，使得透镜的焦点大致位于阴极306的正表面307处。
除了包括在电子束源300中的平面反射镜305之外，可以使用其他形状的反射镜。图3B至3D示出了包括曲面反射镜的电子束源的示例。图3B示出了包括曲面反射镜332的示例电子束源330。曲面反射镜332可以是球面或抛物面反射镜，并且可以大致定位成使得反射镜332的焦点位于阴极306的正表面307上。在这种布置中，EM辐射317包括聚焦在阴极308的正表面307上的平行射线。在示例电子束源330中，阴极308通过致动器334联接到容器302，致动器334可用于相对于反射镜332移动阴极308。致动器334可用于对阴极308和曲面反射镜332之间的距离进行微调，使得阴极308的正表面307上的EM辐射317的光斑尺寸可以最小化。
致动器334可以使用任何合适的机构来相对于反射镜332移动阴极308，包括例如柔性隔膜、压电致动器、电偏转致动器、微电子机械致动器或其任何组合。在一个示例中，柔性隔膜可以由容器302的柔性侧提供，例如薄金属片，阴极308安装到柔性侧。对柔性隔膜的小压差使隔膜和阴极308移动。替代地，或者除了致动器334(其移动阴极308)之外，类似构造的致动器(未示出)可以将反射镜332联接到容器302，以使反射镜332相对于阴极308移动，以便对焦点的位置进行微调。
图3A和3B中所示的电子束源300、330包括较小的反射镜，所述反射镜位于阴极308的一侧，以便不阻挡电子束209。然而，可以包括更大的反射镜，以便将更多的EM能量引导到阴极308上，或者利用更宽的EM辐射317束。
图3C示出了具有曲面反射镜352的示例性电子束源350，该曲面反射镜352大于图3B中所示的电子束源330的曲面反射镜332。曲面反射镜352包括开口354，其有助于电子束319穿过反射镜352。类似于电子束源330的反射镜332，曲面反射镜352可以是球形或抛物面反射镜，其相对于阴极308定位，使得反射镜352的焦点大约在阴极308的正表面307处。类似地，类似于先前描述的致动器334的致动器356可以将阴极308联接到容器302，以微调阴极308和反射镜352之间的距离。
图3D示出了具有曲面反射镜372的电子束源370，曲面反射镜372具有开口374。除了曲面反射镜372还包括导电涂层376之外，曲面反射镜372可以基本上类似于电子束源350的曲面反射镜352。导电涂层376可以连接到电源，使得正偏压可以相对于阴极308施加到导电涂层376。以这种方式，除了将EM辐射317反射到阴极308上之外，反射镜372还用作电极308，其加速在阴极306处产生的自由电子以形成电子束309。导电涂层376可以由任何光学反射的导电材料形成，例如沉积在曲面反射镜372的表面上的金属膜。或者，可以使用导电反射镜。
在替代实施例中，用于将EM辐射317引导到阴极308上的反射镜可以由设置在容器302的内表面上的反射涂层提供。例如，如上所述，容器302可以由具有卵形形状的吹制玻璃形成。玻璃的内表面可以镀银，使得内表面充当反射EM辐射的反射镜。在一些情况下，容器202可以被吹制成在镀银区域具有基本上球形或抛物线形状，从而提供球形或抛物面反射镜。在这种情况下，阴极308可以放置成使得反射镜的焦点大约在阴极308的表面处，并且可以另外包括致动器，例如上述致动器334，用于相对于容器的反射镜面微调阴极308的位置。
由于热阱效应，电子束的形状和尺寸对应于由EM辐射加热的阴极上的区域的尺寸和形状，其又对应于入射在阴极表面上的EM辐射的尺寸和形状。因此，阴极表面上的照射光斑的几何形状通常转化为所产生的电子束的几何形状。在一些情况下，阴极材料的表面可以成形为控制阴极表面上的照射光斑的形状，以便产生具有特定所需横截面形状的电子束，或者产生比照射阴极的EM辐射束窄的电子束。例如，利用EM辐射的单个宽泛光，可以利用阴极的成形表面形成窄电子束或多个电子束。另外，阴极表面可以成形为例如产生定向的电子束，或者增强阴极表面附近的电场，这可以减轻空间电荷效应。
图4示出了用于产生成形电子束409的示例电子束源400。电子束源400包括限定真空腔室404的容器402。容器402包含阴极406和电极408。容器402包括电子窗口414和通风口420，通风口可连接到外部真空泵(未示出)，以在腔室404内提供抽空环境。示例性电子束源400包括用于产生EM辐射317的可选内部EM辐射源410，以及用于将EM辐射417聚焦到阴极308上的可选透镜412。然而，如上所述，不是内部EM辐射源，而是容器可以包括EM窗口以促进来自外部源的EM辐射进入容器402并照射阴极306。容器402、电极408、电子窗口414、内部EM辐射源410可以构造成与先前描述的类似元件基本类似，因此这里不再进一步描述。
阴极406可以包括如前所述的类似材料。然而，阴极406具有成形表面407。成形表面407可以通过例如将阴极406的表面407微加工成所需形状来提供。表面407可以通过任何其他合适的方法成形。
可替代地，或除了成形阴极之外，例如图4中所示的阴极406可以通过用成形的EM辐射束照射阴极来形成成形的电子束。此外，不是具有单个光束或EM辐射，而是可以利用EM辐射束阵列来照射一个或多个阴极。这种EM辐射束阵列可以由例如单个EM辐射源、顶帽光束整形器和透镜/反射镜阵列(例如微透镜阵列或MEMS反射镜阵列)提供，用于投影任意形状光束的阵列。可替代地，EM辐射束阵列可以由多个独立的EM辐射源提供。此外，电子的产生相对于EM辐射照射的响应时间大约为几十微秒或更高，因此，可以执行EM辐射的调制或斩波以产生定时或脉冲电子束。
上面公开的电子束源可用于为任何合适的应用提供电子束，包括例如电子显微镜、光刻、焊接、光电耦合器/转换器和显示屏。
参考图5A、5B和6，示出了用于利用如上所述的用于SEM的特定应用的电子束源的设备的各种示例。
参考图5A，SEM 500包括电子束源502和样品台504。电子束源502可以基本上类似于电子束源的任何前述实施例。图5A中示出的示例SEM 500中的电子束源502包括限定真空腔室508的容器506。容器506包括通气口509，通气口可连接到外部真空泵，用于在真空腔室508内提供真空环境。容器506包含阴极510、电极512和金属管514。容器506、阴极510和电极512可以基本上类似于先前描述的阴极和电极。阴极510和电极512包括引线516a、516b，引线516a、516b穿过容器506中的密封端口518a、518b，以便于将阴极510和电极512连接到外部电源，以便相对于阴极向电极512施加正偏压，如前所述。
容器506包括EM窗口520以促进EM辐射522进入电子束源502，以及电子窗口524以促进所产生的电子束526离开电子束源502。EM窗口520和电子窗口524可以基本上类似于先前描述的EM窗口和电子窗口，因此这里不再进一步描述。此外，如前所述，电子束源502可以包括内部EM辐射源，而不是外部EM辐射522穿过的EM窗口520。容器506包括通气口509，其可连接到外部真空泵(未示出)，用于在腔室508内提供真空环境。或者，如上所述，可以将容器508抽空并密封以在腔室508内形成真空环境，无需持续使用真空泵。
取决于应用，金属管514可以通过引线528连接到电接地，引线528穿过容器506中的密封端口530，或者可以连接到电源以向金属管514施加电压。金属管514可用于减少管514内部区域532中的电场的存在，使得电子束526的电子在被电极512加速之后弹道地行进通过电子束源502。金属管514还可以吸收来自电子束526的杂散电子，以减少真空腔室508内的电磁环境的充电和变形。尽管图中所示的金属管514是连续的，但是金属管514可以包括间隙，以允许来自电子聚焦元件534和电子转向元件536的场在电子束526穿过金属管514时聚焦和转向电子束526。
SEM 500包括电子聚焦元件534和可选的电子转向元件536。电子聚焦元件534可以基本上类似于先前描述的电子聚焦元件。此外，电子聚焦元件可以替代地位于容器506内，如上所述。可选的电子控制元件536可以由例如静电偏转板或静电偏转线圈或任何其它合适的电、磁或电磁转向装置形成。可选的电子控制元件536可用于在保持在样品台504上的样品上扫描电子束526。如下所述，可以省略电子控制元件536，并且可以通过相对于电子束526移动样品台504来在样品上扫描电子束。
示例SEM500中的样品台504包括样品容器540，样品容器540包括电子束窗口542和通气口544，所述电子束窗口542用于电子束526进入样品容器540，所述通气口544可连接到外部真空泵(未示出)以在样品台504内提供真空环境。样品容器540包含电子检测器546，以检测来自保持在样品台504内并由电子束源502产生的电子束526照射的样品548的二次电子、背向散射电子或两者。样品致动器549联接到样品容器540，用于样品台504相对于电子束526的粗略移动，以便例如将样品548的感兴趣区域定位到电子束526中。样本致动器549还可以用于在扫描期间相对于电子束精细移动样本548，而不是或者除了利用如上所述的电子转向元件536转向电子束之外，以便在感兴趣的区域上扫描电子束。
样品致动器549可以利用任何合适的机构来机械地移动样品台504。例如，样品致动器549可包括压电致动器、音圈或任何其他合适类型的致动器。
不是样品致动器549移动整个样品台504，如图5A所示，而是样品致动器可以包括在样品容器内部并且仅移动样品本身，如图5B所示。
图5B示出了SEM 550的另一示例，其包括电子束源552，电子束源552基本上类似于先前描述的SEM 500的电子束源502，因此这里不再进一步描述。SEM 550包括样品台554，其包括具有电子窗口558和通气孔560的样品器皿556，如上文参考样品台504所述。样品容器556包含检测器562，类似于检测器546。然而，SEM 550的样品容器556还包含样品致动器564，样品致动器564相对于电子束568保持并移动样品566以进行粗略和精细运动，如上所述，但是仅通过移动样品566而不是整个样本台。样品致动器564可以基本上类似于上述样品致动器549。
在5A和5B中所示的SEM 500、550中，电子束源502、552和样品台504、554包括单独的容器。然而，SEM的电子束源和样品台可以容纳在单个容器内，如下面参考图6更详细地描述的。
图6示出了示例SEM 600，其包括具有EM窗口604和通风口606的容器602。容器602包含电子束源的元件，包括阴极608、电极610和金属管612，它们基本上类似于先前参照图5A描述的阴极510、电极512和金属管514。容器602还包含样品台的元件，包括检测器614和样品致动器616，用于相对于电子束620移动样品618。样品致动器616和检测器614基本上类似于先前参考图5A描述的样品致动器549和检测器546，因此在此不再进一步描述。SEM 600还可以包括光束转向元件622和电子聚焦元件624，它们基本上类似于先前参照图5A描述的光束转向元件536和电子聚焦元件534。
或者，不是样品台包括在其自身容器内或在电子束源的容器内的，而是较大的容器可以容纳检测器和样品致动器以及包括电子束源容器的电子束源。
在前面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，不需要这些具体细节。在其他情况下，以框图形式示出了公知的电气结构和电路，以免模糊理解。例如，没有提供关于本文描述的实施例是否实现为软件例程、硬件电路、固件或其组合的具体细节。
本公开的实施例可以表示为存储在机器可读介质(也称为计算机可读介质、处理器可读介质、或具有其中包含的计算机可读程序代码的计算机可用介质)中的计算机程序产品。机器可读介质可以是任何合适的有形非暂时性介质，包括磁性、光学或电子存储介质，包括磁盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、存储器设备(易失性或非易失性)、或类似的存储机构。机器可读介质可以包含各种指令集、代码序列、配置信息或其他数据，其在被执行时使处理器执行根据本公开的实施例的方法中的步骤。本领域普通技术人员将理解，实现所描述的实现方式所必需的其他指令和操作也可以存储在机器可读介质上。存储在机器可读介质上的指令可以由处理器或其他合适的处理设备执行，并且可以与电路接口以执行所述的任务。
上述实施例仅是示例。本领域技术人员可以对特定实施例进行改变、修改和变化。权利要求的范围不应受本文所述的特定实施例的限制，而应以与整个说明书一致的方式来解释。

Claims (21)

1.一种电子束源，包括：
容器，其形成腔室；
阴极，其设置在腔室内，所述阴极包括具有各向异性受限导热率的低维导电材料；
电极，其设置在腔室中，所述电极可连接到电源，用于相对于阴极向电极施加正电压，用于在阴极被电磁辐射照射时加速自由电子离开阴极使得阴极热电子地发射自由电子以形成电子束；
电子发射窗口，其在腔室中，用于将产生的电子束传递出腔室；
其中所述容器包括电磁窗口，用于电磁辐射进入所述腔室以照射所述阴极的一部分，以引起来自所述阴极的照射部分的自由电子的热电子发射，
反射镜，其设置在所述腔室中，所述反射镜定位成使得穿过所述电磁窗口的电磁辐射反射到所述阴极的表面上，其中所述反射镜是球面反射镜和抛物面反射镜中的一种，其中所述反射镜定位成使得所述阴极大致位于所述球面反射镜或抛物面反射镜之一的焦点处，使得曲面的反射镜将穿过电磁窗口的电磁辐射聚焦到所述阴极的表面上。
2.根据权利要求1所述的电子束源，其中所述阴极设置在所述腔室的第一末端，并且所述电子发射窗口是在所述腔室的与所述第一末端相对的第二末端处的开口，所述开口尺寸化使得第一末端的压力小于10-2Torr；并且
所述腔室还包括可连接到泵的通风口，用于维持腔室第一末端的压力。
3.根据权利要求1所述的电子束源，其中所述电子发射窗口是薄膜，使得所述容器被密封。
4.根据权利要求3所述的电子束源，其中由密封容器形成的腔室的压力小于10-3Torr但大于10-5Torr。
5.根据权利要求3所述的电子束源，其中所述薄膜是氧化硅、氮化物、氧化铝和石墨烯中的一种。
6.根据权利要求1所述的电子束源，还包括：
设置在腔室中的聚焦磁铁、电磁透镜或静电透镜，用于聚焦加速的自由电子束。
7.根据权利要求1所述的电子束源，其中所述反射镜具有用于使所产生的电子束穿过所述反射镜的开口。
8.根据权利要求1所述的电子束源，其中所述反射镜具有导电涂层，使得所述反射镜形成所述电极以加速自由电子远离所述阴极。
9.根据权利要求1所述的电子束源，其中所述容器具有卵形形状，并且所述反射镜由所述容器的内表面上的反射表面形成。
10.根据权利要求1所述的电子束源，还包括联接到阴极的致动器，以调节阴极相对于曲面的反射镜的位置，以相对于反射镜的焦点微调阴极。
11.根据权利要求10所述的电子束源，其中所述致动器是柔性隔膜、压电致动器、电偏转致动器和微电机械致动器中的一种。
12.根据权利要求1所述的电子束源，其中所述阴极的加热效率大于0.1K/(W/m)。
13.根据权利要求12所述的电子束源，其中所述阴极的加热效率大于1K/(W/m)。
14.一种电子显微镜，包括：
电子束源，包括：
容器，其形成腔室；
阴极，其设置在所述腔室内，所述阴极包括具有各向异性受限导热率的低维导电材料；
电极，其设置在所述腔室中，所述电极可连接到电源，用于相对于阴极向电极施加正电压，用于在阴极被电磁辐射照射时加速自由电子离开阴极使阴极热电子地发射自由电子以形成电子束；
电子发射窗口，其在容器中，用于将产生的电子束从腔室中传递出；
其中所述容器包括电磁窗口，用于电磁辐射进入所述腔室以照射所述阴极的一部分，以引起来自所述阴极的照射部分的自由电子的热电子发射，
反射镜，其设置在所述腔室中，所述反射镜定位成使得穿过所述电磁窗口的电磁辐射反射到所述阴极的表面上，其中所述反射镜是球面反射镜和抛物面反射镜中的一种，其中所述反射镜定位成使得所述阴极大致位于所述球面反射镜或抛物面反射镜之一的焦点处，使得曲面的反射镜将穿过电磁窗口的电磁辐射聚焦到所述阴极的表面；
样品台，其用于保持样品，所述样品台位于电子发射窗口附近，使得来自电子束源的所产生的电子束照射样品台，所述样品台包括：
电子检测器，用于检测来自保持在样品台中的被电子束源产生的电子束照射的样品的二次和背向散射电子，
聚焦元件，其位于电子束源的电极和样品台之间，用于将电子束源产生的电子束聚焦在样品台上的样品上；
扫描机构，用于执行机械移动样品和使入射在样品台上的电子束偏转中的一个，使得电子束在样品台中保持的样品上扫描。
15.根据权利要求14所述的电子显微镜，其中所述阴极的加热效率大于0.1K/(W/m)。
16.根据权利要求15所述的电子显微镜，其中所述阴极的加热效率大于1K/(W/m)。
17.根据权利要求14所述的电子显微镜，其中所述电磁辐射源是激光、太阳光和白炽光中的一种。
18.根据权利要求14所述的电子显微镜，其中所述扫描机构是压电致动器和音圈中一个，所述音圈联接到所述样品台，用于相对于入射在所述样品台上的电子束机械移动所述样品台，用于扫描保持在所述样品台中的样品。
19.根据权利要求14所述的电子显微镜，其中所述扫描机构是静电偏转板或静电偏转线圈中的一个，用于偏转入射在所述样品台上的电子束，用于扫描保持在所述样品台中的样品。
20.根据权利要求14所述的电子显微镜，其中所述样品台包括样品容器，其形成样品腔室，其中所述检测器设置在所述样品腔室中。
21.根据权利要求20所述的电子显微镜，其中所述样品容器是电子束源的容器。
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