CN112088417A - 用于具有扩散势垒的电子发射器的金属保护层 - Google Patents

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Abstract

一种具有100nm或更小的直径的发射器与保护罩盖层及在所述发射器与所述保护罩盖层之间的扩散势垒一起使用。所述保护罩盖层安置在所述发射器的外表面上。所述保护罩盖层包含钼或铱。所述发射器可生成电子束。可对所述发射器进行脉冲控制。

Description

用于具有扩散势垒的电子发射器的金属保护层
相关申请案的交叉参考
本申请案主张在2018年5月25日申请且转让的第62/676,735号美国申请案的临时专利申请案的优先权，所述申请案的揭示内容由此以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及具有涂层的电子发射器。
背景技术
用于电子发射的具有小尖端直径(例如，100nm或更小)的发射器受真空条件影响。真空条件可使场发射性能退化。典型电子发射器不具有保护涂层来保护其免受氧化或积碳(carbon build up)。在超高真空(UHV)条件下，碳层在电子束发射期间在阴极尖端的表面上生长。在UHV环境中，也有可能发生表面的氧化。先前设计对于例如氧化或碳层的清洁是不稳健的。来自真空的分子(例如，氢、一氧化碳、氧、氮及水)也可吸附到阴极尖端上，且这可导致场发射电流的下降及场发射电流的不稳定性。
由于完善的硅微加工技术，硅是用于制作将用作电子发射器的纳米尖端的良好候选材料。然而，硅发射器极易氧化，这将发射器尖端转换为硅氧化物。由于硅氧化物的高功函数，硅氧化物将使尖端无法操作用于电子发射。稳定性还受发射器上的硅氧化物的存在影响。不存在防止这在系统寿命内发生的明确方法。
因此，需要一种改进式电子发射器及操作方法。
发明内容
在第一实施例中提供一种设备。所述设备包含具有100nm或更小的直径的发射器。保护罩盖层安置在所述发射器的外表面上。所述保护罩盖层包含钼。所述发射器可具有小于15nm的直径。所述保护罩盖层可具有从1nm到20nm的厚度。
扩散势垒可安置在所述发射器与所述保护罩盖层之间。所述扩散势垒可包含TiN、碳、B4C、硼或铌。
所述保护罩盖层可在至少发射区域中无针孔。
所述保护罩盖层可具有少于104个杂质。所述杂质可包含碳、氧化物、作为溶解气体的氧气、钠或钾。
所述保护罩盖层可具有小于或等于25％的孔隙率。
所述保护罩盖层可具有大于或等于0.92的堆积密度(packing density)。
一种系统可包含具有第一实施例的发射器的电子源、载物台及检测器。
在第二实施例中提供一种设备。所述设备包含具有100nm或更小的直径的发射器。保护罩盖层安置在所述发射器的外表面上。所述保护罩盖层包含铱。所述发射器可具有小于15nm的直径。所述保护罩盖层可具有从1nm到20nm的厚度。
扩散势垒可安置在所述发射器与所述保护罩盖层之间。所述扩散势垒可包含TiN、碳、B4C、硼或铌。
所述保护罩盖层可在至少发射区域中无针孔。
所述保护罩盖层可具有少于104个杂质。所述杂质可包含碳、氧化物、作为溶解气体的氧气、钠或钾。
所述保护罩盖层可具有小于或等于25％的孔隙率。
所述保护罩盖层可具有大于或等于0.92的堆积密度。
一种系统可包含具有第二实施例的发射器的电子源、载物台及检测器。
在第三实施例中提供一种方法。所述方法包含提供发射器，所述发射器包含安置在所述发射器的外表面上的保护罩盖层。所述发射器具有100nm或更小的直径。将电场施加到所述发射器。从所述发射器生成电子束。对所述发射器进行脉冲控制以从所述发射器移除被吸附物。
所述保护罩盖层可包含钼、铱、钌或其它材料。
附图说明
出于更全面地理解本发明的性质及目的，应参考结合附图进行的以下详细描述，其中：
图1是根据本发明的电子发射系统的实施例的正视图；
图2是根据本发明的方法的流程图；
图3是根据本发明的另一方法的流程图；
图4是根据本发明的系统的实施例；
图5展示提取器(extractor)电流及探针电流的实验结果；
图6展示另一实例中的提取器电流及探针电流的实验结果；
图7展示其中5nm钼膜沉积在1nm铌膜上的硅发射器的明场图像；
图8是根据本发明的另一方法的流程图；
图9是每三十秒具有500ms宽度脉冲的随时间而变的提取器电流的图表；
图10是比较稳定发射与脉冲发射之间的噪声的图表；
图11对于硅上的1nm铌扩散势垒上的5nm钼涂层比较稳定场发射与脉冲场发射的稳定性；
图12对于硅上的5nm钼涂层比较稳定场发射与脉冲场发射的稳定性；
图13说明脉冲场发射；
图14说明其上沉积有铱膜的硅发射器的明场图像；及
图15是对于在1nm B4C上涂覆有5nm钌的发射器比较8小时稳定场发射跟着8小时脉冲场发射期间的相邻收集数据点之间的相对提取器电流变化ΔI/I百分比的每小时计数的图表。
具体实施方式
尽管将依据某些实施例描述所主张标的物，但其它实施例(包含未提供本文中阐述的所有优点及特征的实施例)也在本发明的范围内。可在不脱离本发明的范围的情况下进行各种结构、逻辑、过程步骤及电子改变。因此，本发明的范围仅参考所附权利要求书来界定。
本文中揭示的实施例提供一种具有高电子电流稳定性及寿命的发射器以及发射器操作方法。如本文中揭示，发射器的尖端涂覆有钼及/或铱的保护罩盖层。与n型硅发射器或p型硅发射器相比，钼及铱涂覆的硅尖端产生较高发射电流且具有更好发射电流稳定性。另外，可使用分子氢、加热的分子氢、氢等离子体或其它等离子体来清除钼及铱表面的碳污染及氧化。本文中揭示的实施例可改装成现存系统，这降低重新设计成本。
选择保护罩盖层使得可容易从金属清除被吸附分子且使得与没有保护罩盖层相比，金属表面更长时间保持清洁。可通过加热、紫外光、电子激发脱附或使用高电场来从尖端清除分子被吸附物。甚至在超高真空条件下，在电子束发射期间仍可发生碳层在没有保护罩盖层的硅阴极尖端的表面上的生长，且也有可能发生这些表面的氧化。保护罩盖层抗氧化及积碳。
图1是包含发射器101及发射器安装机构102的电子发射系统100的正视图。电子发射系统100经配置以将电子发射到电子发射系统100周围的环境或空间中。发射器101具有第一区段103、第二区段104及圆角尖端105。第一区段103可为圆柱形的。在没有圆角尖端105的情况下，第二区段104可为大致截头圆锥形的。第二区段104可安置在第一区段103的末端上。第二区段104可在第一区段103与圆角尖端105之间具有渐缩宽度或直径。虽然第一区段104及第二区段105可为大致圆形的，但第一区段104及第二区段105两者可由于晶体结构而有小面。安置在第二区段104的末端上的圆角尖端105可为大致截球体。圆角尖端105可至少部分或完全圆角。除本文中描述的形状外的其它形状是可行的。
第一区段103或第一区段103及第二区段104可被描述为发射器101的“轴”。发射器101的轴通过发射器安装机构102来固持。
发射器101、第一区段103、第二区段104或圆角尖端105的尺寸可变动。发射器101的轴或发射器101本身的长度及直径两者可为纳米尺度或微米尺度。
发射器101包含发射器核心110及保护罩盖层111。保护罩盖层111安置在发射器核心110的外表面上。发射器核心110的整个或少于整个外表面可由保护罩盖层111覆盖。因此，发射器101的100％或少于100％的暴露表面可由保护罩盖层111覆盖。然而，发射器101的至少圆角尖端105或发射器101的至少发射区域可由保护罩盖层111覆盖。
发射器核心110可为硅或其它材料。保护罩盖层111可为钼、铱或钼及铱的合金。其它材料也可与钼及/或铱形成合金。钼或铱可为>90％纯，例如>99％纯。在例子中，使用微加工工艺构造硅冷场发射器。接着，将经溅镀钼及/或铱薄膜沉积到硅冷场发射器上。
任选扩散势垒112可安置在发射器101与保护罩盖层111之间。扩散势垒112防止或减少发射器核心110与保护罩盖层111之间的扩散。例如，扩散势垒112可为TiN、碳、B4C、硼、铌或其它材料。可选择扩散势垒112的厚度以防止或减少例如金属扩散到发射器核心110的硅中。在例子中，扩散势垒112具有从1nm到2nm的厚度，但较厚层是可行的。较厚扩散势垒112可导致较低亮度，但这对于某些应用可为可接受的。可控制扩散势垒112中的氧含量以最小化存在的氧的量。在例子中，在施覆扩散势垒112之前使用氩等离子体从发射器101移除金属氧化物。在实例中，在不破坏真空的情况下在相同腔室中施覆氩等离子体、扩散势垒112及保护罩盖层101。
保护罩盖层111还可在没有扩散势垒112的情况下直接施覆到发射器101。例如，在可接受性能的情况下在没有扩散势垒112的发射器101上测试钼保护罩盖层111。
保护罩盖层111可使发射器101抗氧化及积碳。保护罩盖层111还可具有相对低溅镀率(sputter yield)以耐离子侵蚀。可使用分子氢、加热的分子氢、氢等离子体或其它等离子体来清除钼及铱薄膜的积碳及氧化。保护罩盖层111可具有低溅镀率因此其可耐离子侵蚀。钼及铱还具有低溅镀率，这意味着这些薄膜可耐离子侵蚀。低溅镀率使钼及铱成为保护发射器尖端免受因回流离子引起的离子轰击的良好候选者。
钼及铱两者具有高熔融温度(对于钼，近似2623℃且对于铱，近似2446℃)。高熔融温度可使保护罩盖层111能够热力学稳定。加热期间的再结晶是保护罩盖层111不期望的。保护罩盖层111可需要发射高达数百微安的电流而未由于加热(例如，在场发射期间的焦耳加热及/或诺丁汉(Nottingham)效应)而对膜造成任何结构变化。当发射在暖场发射模式中运行(例如，将发射器加热高达约500℃)且在烘烤期间加热真空室以达到10-11托到10-10托的真空水平(例如，加热到300℃)时，经沉积保护罩盖层111优选地应为稳定的。
发射器安装机构102的配置可从图1中说明的配置变动。在实例中，发射器安装机构102使用位于陶瓷绝缘体上的钨发针支撑发射器尖端，所述陶瓷绝缘体具有用于发针管脚的电极。可加热所述发针以提供瞬间清洁(flash cleaning)或将发射器温度提升到热场发射(TFE)值(例如，近似1800K)。接地参考电力供应器可对发射器提供偏置电压，其可为近似5kV。在例子中，使用从1kV到2kV的偏置电压。
圆角尖端105经配置以将自由电子发射到电子发射系统100周围的抽空空间中。可通过将电场施加到电子发射系统100或其周围来生成电子。可使用带电板或使用其它技术来施加电场。
发射器101可具有小于1μm2的发射区域。例如，发射器100的发射区域可为100nm2或更小。这个发射区域可为圆角尖端105的外表面107的部分。
圆角尖端105可均匀圆角或非均匀圆角。圆角尖端105可包含平坦发射小面109。例如，可存在呈小<100>定向纳米平坦部(nano-flat)的形式的平坦发射小面109。这个平坦发射小面109可用于生成良好准直的电子束。在实例中，平坦发射小面109可提供小于1μm2的发射区域。
在其它实例中，圆角尖端105具有大致半球形或抛物面形状，其可或可不包含平坦发射小面。这些形状可更广泛地分散电子发射，这可导致更小、更亮的电子分率传递到电子光学器件中。
为提供所期望圆角尖端105，可控制表面结晶度。
可针对改进式电子发射设计钼及铱膜的厚度。在涂覆保护罩盖层111之后的发射器尖端直径(例如通过图1中的线113说明)可较小使得电子束具有高亮度。因此，保护罩盖层111的厚度可较薄。可使用具有从1nm到20nm(包含到0.1nm的所有值及介于其间的范围)的厚度的钼及/或铱涂层。确切厚度可取决于发射器101的初始尖端直径。例如，厚度在从1nm到20nm的范围内的钼及铱保护罩盖层可用于在从1nm到50nm的范围内的尖端半径。如果降低的亮度是可接受的，那么较厚保护罩盖层是可行的。在例子中，运用2nm厚扩散势垒112测试10nm厚保护罩盖层111。可通过离子或磁控溅镀、原子层沉积(ALD)或通过容许致密、均匀的保护罩盖层111的其它方法来沉积致密涂层。致密涂层可为例如均质的、均匀的且具有大于近似80％的堆积密度。还可使用比20nm厚的保护罩盖层111，这是因为厚度可取决于发射器101的半径。
可控制保护罩盖层111的外表面处的直径以调谐电子束的性质(例如，亮度、尖端处的电场、电流-电压性质、电子间相互作用)。保护罩盖层111的外表面处的直径是由发射器核心110的直径及在发射器101的横截面的两侧上的保护罩盖层111及在发射器101的横截面的两侧上的任选扩散势垒112的厚度的总和组成。当选择发射器核心110的直径时，存在要考虑的制造问题，例如易制造性、可重复性及发射器之间的尺寸的可变性。当选择保护罩盖层111的厚度时，可控制膜的质量，例如晶粒结构、晶粒边界、不连续性、可覆盖表面、针孔、膜密度或表面粗糙度。重要的是，涂覆发射器的保护罩盖层111是均匀的、致密的、连续的且具有极低表面粗糙度，特别是在发射器101的尖端处。保护罩盖层111在侧壁上也可为均匀的且保形的。为处置电场穿透，保护罩盖层111厚度的下限可为一个单层。可选取超过一个单层的膜厚度以优化膜质量。可选取发射器核心110外加保护罩盖层111的总直径以优化电子束性质。
圆角尖端105的发射区域可小于1μm2。圆角尖端105的发射区域可对应于圆角尖端105的整个表面区域或仅圆角尖端105的表面区域的部分。例如，发射区域可对应于平坦发射小面109。圆角尖端105的发射区域可能不具有突出部且可为原子级平滑。
保护罩盖层111的全部或部分可无针孔。例如，发射器101的至少发射区域可无针孔。发射区域可为尖端附近的5nm到10nm区或其它区域。可通过牵拉电子束所必需的高提取场来放大任何针孔的效应。
保护罩盖层111的全部或部分可无夹杂物。例如，发射器101的至少发射区域可无夹杂物。
保护罩盖层111中的最大缺陷直径或长度尺寸可小于1nm。缺陷包含经沉积膜中的过度结构，例如可经由溅镀参数控制的棒或块。
保护罩盖层111可具有少于103或104个杂质。杂质可包含碳、氧化物、作为溶解气体的氧气、钠、钾或其它材料。杂质影响保护罩盖层111的功函数，这将影响电子发射的均匀性。
保护罩盖层111的孔隙率可小于或等于25％。保护罩盖层111的堆积密度可大于或等于0.92。可运用以下方程式来使用折射率界定及测量孔隙率(P)
Figure BDA0002762529350000071
其中nf是经沉积薄膜的折射率且nB是块体材料的折射率。
膜的堆积密度(PD)使用以下方程式界定为平均膜密度(ρf)与体积密度(ρB)的比。
PD＝ρf/ρB 方程式2
可通过以下方程式表达膜折射率与其堆积密度之间的相关性。
Figure BDA0002762529350000072
其中发生场发射的发射器101的表面可由金属原子均质地制成。
保护罩盖层111减少碳污染及氧化。可通过分子氢、氢等离子体或其它等离子体清除钼、铱或其合金。因此，可使用例如加热的H2 +及/或氧移除保护罩盖层111上的任何碳污染或氧化。
包含钼或铱的保护罩盖层111对于电子场发射或在存在高电场的情况下是稳健的。此保护罩盖层111对于离子溅镀及清洁也是稳健的。
可通过离子或磁控溅镀、ALD或通过所属领域的技术人员已知的其它方法沉积保护罩盖层111。这些技术可实现形成具有所期望密度及均匀性的保护罩盖层111。
运用钼薄膜涂覆硅可产生小直径尖端阵列。可使用硅微加工技术制作具有小直径(例如，15nm直径或更小)的发射器阵列。运用金属薄膜涂覆硅以金属化发射表面。涂覆技术可提供没有结构缺陷的高密度、高纯度涂层。为防止或减少硅扩散到金属薄膜中，可在硅与金属薄膜之间沉积扩散势垒。这个扩散势垒是任选的。
在一个测试中，将纳米尖端安装在高的圆柱形硅柱的顶部上以增加场增强。纳米尖端及柱可为发射器的实例。硅纳米尖端涂覆有金属薄膜用于冷场发射。在硅与金属薄膜之间添加任选扩散势垒以减少或防止硅扩散到金属薄膜中。这减少或防止硅扩散到发射表面，在发射表面处其可能氧化且引起非均匀功函数。所得SiO2还可能因为其高功函数而限制电流。虽然受测试发射器是由硅制成，但发射器也可由其它材料制成。
在硅发射器上测试的不同金属涂层中，具有铱保护罩盖层的发射器已展示针对场发射稳定性最有前景的结果。然而，钼及铱的稳定性结果优于铂、钌、硼或钨薄膜。涂层的均匀性可影响稳定性，但测试结果指示即使有均匀性差异，钼与铱之间的性能仍大体上类似。因此，铱涂层与钼涂层之间的任何均匀性差异可能不会影响性能。
图2是根据本发明的方法的流程图。在200处，提供具有外表面的发射器。发射器具有100nm或更小的直径。在201处，将保护罩盖层施覆到发射器的外表面。保护罩盖层包含钼及/或铱。施覆可包含溅镀沉积、ALD或离子溅镀。溅镀沉积及ALD可提供保护罩盖层的所期望保形性。特定来说，溅镀沉积可减少保护罩盖层中的孔隙率、空隙的存在及针孔的存在。
图3是根据本发明的另一方法的流程图。在300处，提供发射器，所述发射器包含安置在发射器的外表面上的保护罩盖层。发射器具有100nm或更小的直径。保护罩盖层包含钼及/或铱。在301处，将电场施加到发射器。在302处，从发射器生成电子束。发射器可在至少10-9托(例如从5x10-10托到5x10-11托)的真空中操作。小于5x10-11托(例如10-12托)是可行的。
在电子束生成期间可使用从近似0.1kV到10kV(包含到0.1kv之间的所有范围及值)的提取电压。例如，提取电压可从近似0.5kV到10kV、从近似1kV到10kV、从近似1.5kV到10kV或从近似2.5kV到10kV。其它提取电压是可行的。
用于具有保护罩盖层的发射器的电场可在从近似0.1V/nm到5V/nm的范围内(包含到0.1V/nm之间的所有范围及值)。电场可取决于发射器的外径(包含保护罩盖层的厚度)而变化。大于5V/nm的电场可用于高电流(例如，大于10μA)。
本发明的实施例可用于光罩与晶片检验及度量系统中。所述系统可经配置以提供所期望真空环境规格。这些系统的实例包含：使用单个或多个电子源的电子束晶片或光罩检验系统；使用单个或多个电子源的电子束晶片或光罩重检系统；使用单个或多个电子源的电子束晶片或光罩度量系统；或需要至少一个电子源以使用单个或多个电子束生成x射线以用于晶片或光罩度量、重检或检验中的系统。可引导来自发射器的电子流朝向样本，例如半导体晶片或其它工件。电子流可行进通过提取及聚焦电极以形成具有所期望束能量及束电流的电子束。一或多个透镜可用于在样本上产生小电子束光点。偏转器可用于扫描电子束。样本可放置在可能够相对于电子束扫描的载物台上。当电子束命中样本时，可从样本发射二次电子及反向散射电子，所述电子可经收集且加速朝向检测器。
本文中描述的实施例可包含在例如图4的系统400的系统中或可在所述系统中执行。系统400包含内含至少能量源及检测器的输出获取子系统。输出获取子系统可为基于电子束的输出获取子系统。例如，在一个实施例中，引导到晶片404的能量包含电子，且从晶片404检测的能量包含电子。以这种方式，能量源可为电子束源402。在图4中展示的一个此实施例中，输出获取子系统包含耦合到计算机子系统407的电子柱401。
也如图4中展示，电子柱401包含经配置以生成通过一或多个元件403聚焦到晶片404的电子的电子束源402。电子束源402可包含发射器(例如图1中的电子发射系统100的发射器101)，且一或多个元件403可包含例如枪透镜、阳极、限束孔径、闸阀、束电流选择孔径、物镜及/或扫描子系统。电子柱401可包含所属领域中已知的任何其它适合元件。虽然仅说明一个电子束源402，但系统400可包含多个电子束源402。
从晶片404返回的电子(例如，二次电子)可通过一或多个元件405聚焦到检测器406。一或多个元件405可包含例如扫描子系统，其可为包含在(若干)元件403中的相同扫描子系统。电子柱401可包含所属领域中已知的任何其它适合元件。
尽管图4中将电子柱401展示为经配置使得电子以倾斜入射角引导到晶片404且以另一倾斜角从晶片散射，但应了解，电子束可以任何适合角度引导到晶片及从晶片散射。另外，基于电子束的输出获取子系统可经配置以使用多个模式(例如，运用不同照明角、收集角等)来生成晶片404的图像。基于电子束的输出获取子系统的多个模式可在输出获取子系统的任何图像生成参数方面不同。
计算机子系统407可与检测器406电子通信。检测器406可检测从晶片404的表面返回的电子由此形成晶片404的电子束图像。电子束图像可包含任何适合电子束图像。计算机子系统407可经配置以使用检测器406的输出及/或电子束图像执行其它功能或额外步骤。例如，计算机子系统407可经配置以执行图3的方法或图8的方法。
应注意，本文中提供图4以大体上说明基于电子束的输出获取子系统的配置。可更改本文中描述的基于电子束的输出获取子系统配置以优化输出获取子系统的性能，如通常在设计商业输出获取系统时执行。另外，可使用现存系统(例如，通过将本文中描述的功能性添加到现存系统)来实施本文中描述的系统。对于一些此类系统，可将本文中描述的方法提供为系统的任选功能性(例如，除了系统的其它功能性外)。
在一个实施例中，系统400是检验系统。例如，本文中描述的电子束输出获取子系统可配置为检验系统。在另一实施例中，系统400是缺陷重检系统。例如，本文中描述的电子束输出获取子系统可配置为缺陷重检系统。在进一步实施例中，系统400是度量系统。例如，本文中描述的电子束输出获取子系统可配置为度量系统。特定来说，在本文中描述且在图4中展示的系统400的实施例可取决于将使用其的应用而在一或多个参数方面修改以提供不同成像能力。在一个此实例中，图4中展示的系统400可经配置以如果将用于缺陷重检或度量而非用于检验那么具有较高分辨率。换句话说，图4中展示的系统400的实施例描述用于系统400的一些一般及各种配置，所述配置可以数种方式定制以产生具有或多或少适于不同应用的不同成像能力的输出获取子系统。
系统400或电子发射系统100的实施例可经配置用于例如晶片及光罩的样品的检验、缺陷重检及/或度量。例如，本文中描述的实施例可经配置以使用两个扫描电子显微镜(SEM)用于掩模检验、光罩检验、光罩度量、晶片检验及晶片度量的目的。系统400或电子发射系统100还可配置为用于生成x射线的电子源以用于晶片或光罩度量、重检或检验。
特定来说，本文中描述的实施例可与计算机码或计算机群集(其是输出获取子系统(例如电子束检验器或缺陷重检工具、掩模检验器、虚拟检验器或其它装置)的组件或耦合到所述输出获取子系统)一起使用。以这种方式，本文中描述的实施例可生成可用于多种应用(包含但不限于晶片检验、掩模检验、电子束检验及重检、度量或其它应用)的输出。可如上文描述那样基于将对于其生成输出的样品修改图4中展示的系统400的特性。
用于室温场发射、暖温场发射或光电阴极模式的发射器的操作的最优总压力可为10-9托或更小，例如从5x10-10托到5x10-11托。这个操作压力加总真空相关分子(例如，H2O、H2、CO、CO2、O2、N2或碳氢化合物)的所有分压。对于H2，分压限制可为10-12托，而对于任何其它分子，分压可低于10-10托。
操作压力可随操作模式变动。例如，操作压力可随发射机构及表面活化能量而变动。热场发射模式可在10-9托或更小下操作，例如从5x10-10托到5x10-11托。小于5x10-11托(例如10-12托)是可行的。
操作压力或其它真空参数影响发射器的污染或侵蚀。发射器周围的环境的高粒子计数(例如因水分或其它粒子引起)可导致加速的质量损失。因为仅高功函数表面暴露于提取场，所以功函数发射区域可消失且发射可降到接近零。发射材料的任何孔蚀可在结晶上被破坏，这影响功函数。
例如，当薄碳层形成在电子流发射表面上时，可发生发射表面的碳污染，尤其是在较低操作温度下。碳污染可因挥发性真空系统相关有机物(例如，油或润滑剂)、来自抛光剂或清洁剂的残余物、来自棉签或清洁布的残余纤维或其它来源引起。碳膜破坏具有高功函数层的发射表面，这导致减小的发射电流。
在另一实例中，来自发射器的材料的氧化、升华或蒸发可由于水分而发生。因此，耐火材料或电介质材料可形成在其它表面(包含内表面、孔径及阳极表面)上。
为避免碳污染、水分损坏或氧化，控制电子发射系统周围的真空环境。环境的操作压力可取决于操作模式。
图5展示在具有硅发射器上的5nm厚钼保护罩盖层而没有扩散势垒的情况下的场发射的提取器电流及探针电流(例如，在法拉第杯(Faraday cup)处)的实验结果。图6展示具有硅发射器上的5nm厚铱保护罩盖层与保护罩盖层同发射器之间的B4C扩散势垒的另一实例中的提取器电流及探针电流(例如，在法拉第杯处)的实验结果。在这些实验结果中，证明60μA到120μA的最大电流没有寿命问题。发射器可靠地运行且在没有稳定时间的情况下立即开启。
图7展示其中5nm钼膜沉积在1nm铌膜上的硅发射器的明场图像。图14说明其上沉积有铱膜的硅发射器的明场图像。
图8是另一方法的流程图。在500处，提供发射器，所述发射器包含安置在发射器的外表面上的保护罩盖层及任选扩散势垒。发射器具有100nm或更小的直径。保护罩盖层可包含钼及/或铱，但如同钌或硼的其它材料是可行的。在501处，将电场施加到发射器。在502处，从发射器生成电子束。发射器可在至少10-9托(例如从5x10-10托到5x10-11托)或甚至小于5x10-11托(例如10-12托)的真空下操作。在503处，对发射器进行脉冲控制。例如，图9展示每三十秒具有500ms宽度脉冲的随时间而变的提取器电流的图表。FC电流是指例如法拉第杯(FC)的探针处的电流。提取器电流及探针电流可因电压脉冲而改变值，但接着电流在脉冲之间的30秒期间保持稳定。结果是脉冲之间的一系列电流“步阶”。可运用电压反馈校正系统来校正“步阶”之间的探针电流变化以获得稳定束电流。
图10是比较稳定发射与脉冲发射之间的噪声的图表。可通过周期性地对发射器进行脉冲控制以获得在脉冲之间具有小于1％的噪声水平的束电流来稳定化发射电流。
在短时段内运用大电流周期性地脉送发射器以清洁尖端的表面改进在脉冲之间的时间期间的场发射电流的稳定性。可以稳定发射及高电流的交替序列周期性地施加脉冲。可在高电流时段(其可从100微秒直到500毫秒)期间中断晶片检验或度量测量。脉冲可从例如100微秒到500微秒或从50毫秒到500毫秒。对发射器进行脉冲控制可因移除发射器上的分子而改进稳定性。这可能是通过加热或脱附。
在实例中，可每30秒脉送电流500ms。电流水平在脉冲之间以阶梯函数方式波动，但脉冲之间的电流是稳定的，且在脉送数据集中的提取器电流与法拉第电流两者中可见小于1％的噪声。
在实验中，从在1nm B4C上涂覆有5nm钌的发射器收集数据集以交替地测量稳定场发射达8小时，跟着8小时脉冲场发射(每30秒500ms的20μA到50μA脉冲)。观察到脉冲发射对比稳定发射的稳定性改进，且发射不稳定性在脉冲关闭之后恢复。图15中展示在8小时稳定场发射跟着8小时脉冲场发射期间的相邻电流数据点之间的相对提取器电流变化ΔI/I百分比的每小时计数的图表。
当已稳定地发射数小时的发射器被单次脉冲控制到高电流达短时段时，总体稳定性得以改进。对于涂覆有钌或其它材料的发射器，单个脉冲引起发射电流增加高达13倍，这对应于发射表面处的功函数的高达0.6eV的下降。在脉冲之后，电流平均花费5小时恢复到原始电流，这可为被吸附物再次吸附到发射器尖端的表面上的时间。来自脉冲的效应是瞬时的且因此可需要周期性地施加脉冲以保持发射表面清洁。一般来说，在较低真空压力下观察到更稳定发射，且在具有改进式真空的情况下可需要不太频繁地或以较低脉冲电流施加脉冲。
额外实验已展示脉冲控制对发射稳定性的效应随着较长脉冲及及较高脉冲电流而改进。
展示两个实验的结果。图11对于硅上的1nm铌扩散势垒上的5nm钼涂层比较稳定场发射与脉冲场发射的稳定性。图12对于硅上的5nm钼涂层比较稳定场发射与脉冲场发射的稳定性。
图13说明脉冲场发射。阶梯函数电流在脉冲之间改变，但电流在脉冲之间稳定。
所述方法的步骤中的每一者可如本文中描述那样执行。所述方法还可包含可通过本文中描述的控制器及/或(若干)计算机子系统或系统执行的(若干)任何其它步骤。所述步骤可通过可根据本文中描述的实施例中的任一者配置的一或多个计算机系统来执行。另外，上文描述的方法可通过本文中描述的系统实施例中的任一者来执行。
尽管已参考一或多个特定实施例描述本发明，但将了解，可在不脱离本发明的范围的情况下作出本发明的其它实施例。因此，本发明被视为仅受所附权利要求书及其合理解释限制。

Claims (20)

1.一种设备，其包括：
发射器，其中所述发射器具有100nm或更小的直径；及
保护罩盖层，其安置在所述发射器的外表面上，其中所述保护罩盖层包含钼。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述发射器具有小于15nm的直径。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述保护罩盖层具有从1nm到20nm的厚度。
4.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括在所述发射器与所述保护罩盖层之间的扩散势垒。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述扩散势垒包含TiN、碳、B4C、硼或铌。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述保护罩盖层具有少于104个杂质，且其中所述杂质包含碳、氧化物、作为溶解气体的氧气、钠或钾。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述保护罩盖层具有小于或等于25％的孔隙率。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述保护罩盖层具有大于或等于0.92的堆积密度。
9.一种系统，其包括包含根据权利要求1所述的发射器的电子源、载物台及检测器。
10.一种设备，其包括：
发射器，其中所述发射器具有100nm或更小的直径；及
保护罩盖层，其安置在所述发射器的外表面上，其中所述保护罩盖层包含铱。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述发射器具有小于15nm的直径。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述保护罩盖层具有从1nm到20nm的厚度。
13.根据权利要求10所述的设备，其进一步包括在所述发射器与所述保护罩盖层之间的扩散势垒。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述扩散势垒包含TiN、碳、B4C、硼或铌。
15.根据权利要求10所述的设备，其中所述保护罩盖层具有少于104个杂质，且其中所述杂质包含碳、氧化物、作为溶解气体的氧气、钠或钾。
16.根据权利要求10所述的设备，其中所述保护罩盖层具有小于或等于25％的孔隙率。
17.根据权利要求10所述的设备，其中所述保护罩盖层具有大于或等于0.92的堆积密度。
18.一种系统，其包括包含根据权利要求10所述的发射器的电子源、载物台及检测器。
19.一种方法，其包括：
提供发射器，所述发射器包含安置在所述发射器的外表面上的保护罩盖层，其中所述发射器具有100nm或更小的直径；
将电场施加到所述发射器；
从所述发射器生成电子束；及
对所述发射器进行脉冲控制，由此从所述发射器移除被吸附物。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述保护罩盖层包含钼或铱。
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