CN115172124A - 一种肖特基电子源结构以及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种肖特基电子源结构以及制备方法，在该肖特基电子源结构中，单晶钨丝第一端部的曲率半径R＞2μm，且单晶钨丝主体部涂覆有扩散补偿源，在给发叉型钨丝通电时会对单晶钨丝进行加热，处于高电场环境中的第一端部顶端受热形成了(100)晶面，主体部上的扩散补偿源在加热后会分解并扩散到第一端部，并在第一端部顶端的(100)晶面附着，从而降低功函数，这种大曲率半径且低功函数的肖特基电子源结构可以在较低的真空环境中，发射大束流、低能散的电子束，提升了肖特基电子源的发射性能。

Description

一种肖特基电子源结构以及制备方法

技术领域

本发明涉及热场发射电子源技术领域，更具体地说，涉及一种肖特基电子源结构以及制备方法。

背景技术

众所周知，电子器件和系统的微型化和集成化具有重要的研究意义和广泛的应用前景。特别是在过去十年中，微纳米显微和加工技术的迅速发展，极大推动了科学技术水平以及人类生活水平的提高。无论是集成电路领域中电路刻蚀所涉及到的电子束光刻(Electron Beam Lithography)又或者封装过程中的缺陷审查(Defect Review)，都离不开分辨率在微纳米级别的高通量电子束。此外，开发的多束电子显微镜，在科研学术领域的广泛应用也得益于其核心部件-大束流电子源。由此可见在高通量的电子束加工和检测领域，人们对高电流密度以及亚微米精度的需求越来越迫切。

热场电子源作为一类能够运行最高亮度的电子源，与传统的冷场发射电子源相比，热场发射的优点是能够在相对较低的真空(10^-8Torr)要求下，实现高电流密度操作，且具有高亮度和长使用寿命以及更稳定和更易于使用的特性。同时在不牺牲发射极寿命的情况下，由阴极溅射和气体吸附引起的电流波动幅度大大降低。肖特基电子源作为热场电子源的一种，因其功函数较低、发射电流密度大以及拥有稳定的发射特性，被广泛地应用在电子显微镜、电子束曝光或其他电子束相关系统，无疑成了当下的研究热点。

然而传统的肖特基电子源为了提升亮度以及分辨率，一般都会以小曲率半径(r<1μm)的钨丝尖端来发射电子，但是由于较小的发射面积，发射的电子束流大小受到了极大的限制。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种肖特基电子源结构以及制备方法，技术方案如下：

一种肖特基电子源结构，所述肖特基电子源结构包括：

单晶钨丝，所述单晶钨丝的延伸方向上包括相对设置的第一端部与第二端部，以及位于所述第一端部与所述第二端部之间的主体部；所述第一端部的曲率半径为R，其中R＞2μm；

扩散补偿源，所述扩散补偿源位于所述主体部；

发叉型钨丝，所述发叉型钨丝与所述第二端部连接。

可选的，在上述肖特基电子源结构中，所述第一端部在第一方向上的宽度逐渐减小；所述第一方向为所述第二端部指向所述第一端部的方向。

可选的，在上述肖特基电子源结构中，所述第一端部的顶端在高电场环境中加热处理后形成(100)晶面。

可选的，在上述肖特基电子源结构中，所述主体部的形状为圆柱形。

可选的，在上述肖特基电子源结构中，所述主体部的直径为0.12mm。

可选的，在上述肖特基电子源结构中，所述扩散补偿源为位于所述主体部的扩散补偿源涂层。

可选的，在上述肖特基电子源结构中，所述发叉型钨丝包括第一部分与第二部分；

所述第一部分的第一端与所述第二部分的第二端在延伸方向上形成一个夹角。

可选的，在上述肖特基电子源结构中，所述夹角的角度为55°-65°。

可选的，在上述肖特基电子源结构中，所述第一端与所述第二端连接形成连接部；

所述连接部与所述第二端部部分连接。

一种肖特基电子源结构的制备方法，用于制备上述任一所述的肖特基电子源结构，所述制备方法包括：

对单晶钨丝以及发叉型钨丝进行处理，并将所述发叉型钨丝与第二端部连接得到连接结构；

对所述连接结构进行焦耳热熔断处理得到第一端部与主体部；

在所述主体部涂覆扩散补偿源，并对所述发叉型钨丝进行通电处理以及对所述单晶钨丝进行加热处理得到肖特基电子源结构。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

本发明提供了一种肖特基电子源结构，该肖特基电子源结构包括：单晶钨丝，单晶钨丝的延伸方向上包括相对设置的第一端部与第二端部，以及位于第一端部与第二端部之间的主体部；第一端部的曲率半径为R，其中R＞2 μm；扩散补偿源，扩散补偿源位于主体部；发叉型钨丝，发叉型钨丝与第二端部连接。

在该肖特基电子源结构中，单晶钨丝第一端部的曲率半径R＞2μm，且单晶钨丝主体部涂覆有扩散补偿源，在给发叉型钨丝通电时会对单晶钨丝进行加热，处于高电场环境中的第一端部顶端受热形成了(100)晶面，主体部上的扩散补偿源在加热后会分解并扩散到第一端部，并在第一端部顶端的 (100)晶面附着，从而降低功函数，这种大曲率半径且低功函数的肖特基电子源结构可以在较低的真空环境中，发射大束流、低能散的电子束，提升了肖特基电子源的发射性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种肖特基电子源结构示意图；

图2为本发明实施例提供的第一端部的放大结构示意图；

图3为本发明实施例提供的扩散补偿源的涂覆结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种扩散补偿源的涂覆结构示意图；

图5为本发明实施例提供的又一种扩散补偿源的涂覆结构示意图；

图6为本发明实施例提供的发叉型钨丝03的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种肖特基电子源结构的制备方法的流程示意图；

图8为本发明实施例提供的单晶钨丝电化学刻蚀后的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于背景技术中的内容而言，当肖特基电子源的尖端半径r＞2μm时，肖特基电子源显示其能散接近理论预测的能散，并且不存在波尔施效应。例如在400μA sr^-1操作时，尖端半径为4.2μm的发射器在半最大能散时显示0.47eV 全宽，尖端半径为0.43μm的发射器显示0.98eV半最大能散。为了秉承肖特基优良的发射特性同时大幅度提升电子源发射束流的大小，设法在肖特基电子源主体结构上，以大曲率半径尖端替代传统的小曲率半径尖端，无疑是解决肖特基电子源在低束电压工业领域应用中的最佳突破点。

因此，本发明提供了一种肖特基电子源结构以及制备方法，该肖特基电子源结构包括：单晶钨丝，单晶钨丝的延伸方向上包括相对设置的第一端部与第二端部，以及位于第一端部与第二端部之间的主体部；第一端部的曲率半径为R，其中R＞2μm；扩散补偿源，扩散补偿源位于主体部；发叉型钨丝，发叉型钨丝与第二端部连接。

该肖特基电子源结构中，单晶钨丝第一端部的曲率半径R＞2μm，且单晶钨丝主体部涂覆有扩散补偿源，在给发叉型钨丝通电时会对单晶钨丝进行加热，处于高电场环境中的第一端部顶端受热形成了(100)晶面，主体部的扩散补偿源在加热后会分解并扩散到第一端部，并在第一端部顶端的(100) 晶面附着，从而降低功函数，这种大曲率半径且低功函数的肖特基电子源结构可以在较低的真空环境中，发射大束流、低能散的电子束，提升了肖特基电子源的发射性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种肖特基电子源结构示意图。

所述肖特基电子源结构包括：

单晶钨丝01，所述单晶钨丝01的延伸方向上包括相对设置的第一端部 011与第二端部012，以及位于所述第一端部011与所述第二端部012之间的主体部013；所述第一端部011的曲率半径为R，其中R＞2μm。

扩散补偿源02，所述扩散补偿源02位于所述主体部013。

发叉型钨丝03，所述发叉型钨丝03与所述第二端部012连接。

具体的，单晶钨丝01的第一端部011为肖特基电子源的尖端，该尖端的的曲率半径为R，R＞2μm，由于大的曲率半径可以获得更大的电子发射束流，使得该肖特基电子源的的发射性能得到较大的提高。

扩散补偿源02是由粒径在亚微米级别的无机锆源粉体溶解在有机溶剂中制备而成的，形成的扩散补偿源02为浆料，可涂覆于主体部013。

需要说明的是，第二端部012以及主体部013长度以及直径包括但不限定于几百微米。

可选的，在本发明的另一实施例中，所述第一端部011在第一方向N上的宽度逐渐减小；所述第一方向N为所述第二端部012指向所述第一端部011 的方向。

具体的，第一端部011在第一方向N上的宽度逐渐减小，从而形成尖端形状，该尖端的顶端为一平面。

可选的，参考图2，图2为本发明实施例提供的第一端部的放大结构示意图，在本发明的另一实施例中，所述第一端部011的顶端011a在高电场环境中加热处理后形成(100)晶面。

具体的，该(100)晶面是由圆形尖端在高温高电场下重塑形成，且顶端 011a的(100)晶面为主导平面。

可选的，在本发明的另一实施例中，所述主体部013的形状为圆柱形。

可选的，在本发明的另一实施例中，所述主体部013的直径为0.12mm。

具体的，由于单晶钨丝01整体为圆柱形的钨丝形成，所以主体部013的形状为圆柱形。且该圆柱的圆形截面的直径可以为0.12mm。

可选的，在本发明的另一实施例中，所述扩散补偿源02为位于所述主体部013的扩散补偿源涂层。

具体的，如图1所示，扩散补偿源02为涂覆于主体部013的扩散补偿源涂层，且该扩散补偿源涂层仅仅涂覆了部分主体部013。

需要说明的是，为了延长场发射电子源的使用寿命，通常会添加扩散补偿源02的量，但是贸然地去增加则会对电子源或Zr/O本身产生损伤，因此本发明所述涂敷方式，摒弃传统的短而厚的样式，采用了长而薄的样式。例如，该扩散补偿源02的形状可以有多种，参考图3，图3为本发明实施例提供的扩散补偿源的涂覆结构示意图，参考图4，图4为本发明实施例提供的另一种扩散补偿源的涂覆结构示意图，参考图5，图5为本发明实施例提供的又一种扩散补偿源的涂覆结构示意图。

在本发明中，在高电场环境中加热后的第一端部011顶端011a形成了 (100)晶面，多种不同的涂覆结构在加热后都会分解并扩散到第一端部011，并在第一端部011顶端011a的(100)晶面附着，从而提升电子源的使用寿命和降低电子束发射的功函数。

可选的，在本发明的另一实施例中，所述第二端部012的形状与所述主体部013的形状相同。

具体的，由于第二端部012与主体部013是同一单晶钨丝01，所以第二端部012的形状与主体部013的形状相同，且都为圆柱形，同样的第二端部 012的直径可以为0.12mm。

可选的，参考图6，图6为本发明实施例提供的发叉型钨丝03的结构示意图，在本发明的另一实施例中，所述发叉型钨丝03包括第一部分031与第二部分032。需要说明的是所述发叉型钨丝03为一整体结构，第一部分031 和第二部分032只是为了更好的说明发叉型钨丝03的结构。

所述第一部分031的第一端031b与所述第二部分032的第二端032b在延伸方向上形成一个夹角α。

可选的，在本发明的另一实施例中，所述夹角α的角度为55°-65°。

具体的，第一部分031与第二部分032形成了发叉型钨丝03，且第一部分031的第一端031b在延伸方向上与第二部分032的第二端032b在延伸方向上相交，形成一个夹角α，该夹角α的角度可以为55°-65°，例如该夹角α的角度可以为60°等。

该发叉型钨丝03用于通电，当发叉型钨丝03通电时会对单晶钨丝01进行加热，处于高电场环境中的第一端部011顶端011a受热形成了(100)晶面，主体部013上的扩散补偿源02在加热后会分解并扩散到第一端部011，并在第一端部011顶端011a的(100)晶面附着，从而降低功函数。

可选的，在本发明的另一实施例中，所述第一端031b与所述第二端032b 连接形成连接部。

所述连接部与所述第二端部012部分连接。

具体的，如图1所示，第一端031b与第二端032b连接形成连接部，连接部即为发叉型钨丝03形成夹角α的端部，该连接部与第二端部012部分连接，从而形成了肖特基电子源结构。

需要说明的是，连接部与第二端部012的连接方式为焊接，所以在连接时仅仅连接了部分区域。

基于上述肖特基电子源结构，本发明还提供了一种肖特基电子源结构的制备方法，用于制备上述任一一个实施例中的肖特基电子源结构，下面将对该肖特基电子源结构的制备方法进行详细阐述。

参考图7，图7为本发明实施例提供的一种肖特基电子源结构的制备方法的流程示意图。

S101：对单晶钨丝01以及发叉型钨丝03进行处理，并将所述发叉型钨丝03与第二端部012连接得到连接结构。

在该步骤中，首先对一根单晶钨丝01进行初步的电化学抛光，从而形成抛去氧化层并且直径为0.12mm的单晶钨丝01，再对抛光后的单晶钨丝01进行点焊工艺，将第二端部012焊接到发叉型钨丝03的连接部，从而形成连接结构。

需要说明的是，发叉型钨丝03首先经过冲压和退火处理，使其连接部的夹角α为55°-65°，例如，夹角α可以为60°等。

S102：对所述连接结构进行焦耳热熔断处理得到第一端部011与主体部 013。

在该步骤中，将S101步骤中得到的连接结构置于电化学装置，使连接结构中的单晶钨丝01浸入浓度为1.2mol/L的NaOH电解液中，进行环形电极电解刻蚀，参考图8，图8为本发明实施例提供的单晶钨丝电化学刻蚀后的结构示意图，如图8所示，环形电极电解刻蚀之后在单晶钨丝01的中部形成了颈部014。

将电化学刻蚀后的连接结构置于真空中进行焦耳熔断处理，首先接入直流电路，电流在真空中通过导线，在颈部014发生局部焦耳加热，焦耳加热后颈部014融化，并形成半球形的顶端。

需要说明的是，在进行焦耳熔断时单晶钨丝01的截面面积的平方和发热功率成正比，即S²∝P，因此若要使单晶钨丝01的直径越大，所需要的熔断电流也将越大。通过控制颈部的直径，可以轻松调整顶端的半径，并获得大曲率半径的顶端结构。

S103：在所述主体部013涂覆扩散补偿源02，并对所述发叉型钨丝03 进行通电处理以及对所述单晶钨丝01进行加热处理得到肖特基电子源结构。

在该步骤中，将S102步骤中得到的具有半球形顶端的连接结构置于涂覆装置中，对主体部013进行清洁，然后用毛细管粘取扩散补偿源02，旋涂到固定好的且靠近第二端部012的主体部013周围，自然蒸发晾干，扩散补偿源013即可附着在单晶钨丝01的主体部013上。

需要说明的是，扩散补偿源02可以由作为锆源的前驱体氢化锆(ZrH₂)中加入有机溶剂(乙酸异戊酯)后超声3分钟得到，该扩散补偿源02超声后形成了均匀的浆料，然后涂覆于主体部013。该扩散补偿源02涂覆装置为自主搭建的涂覆装置，扩散补偿源02的涂覆样式和区域也有所不同，如图3，图 4，图5所示的涂覆结构等。

然后在高真空下，给涂覆了扩散补偿源02的连接结构上的发叉型钨丝03 通电，通电后会对单晶钨丝01进行加热，此时主体部013上涂覆的扩散补偿源02也即氢化锆(ZrH₂)会分解成锆元素和氢元素，并且锆元素会扩散到单晶钨丝01的第一端部011上；然后将单晶钨丝01的第一端部011的顶端在温度1800K，且压强约为10^-4Pa的氧气环境下进行加热，经过氧气氛围中高温加热，锆与氧发生共吸附，表现出不寻常的热稳定性，并优先吸附在单晶钨丝01的顶端011a的(100)晶面上，锆与氧能够选择性地将(100)表面的功函数从4.5eV降低到2.8eV，最终获得了束流大、能散小、发射稳定的肖特基电子源。此时，对该单晶钨丝01前端施加电场后即可发射电子束。

该肖特基电子源结构中，单晶钨丝01第一端部011的曲率半径R＞2μm，且单晶钨丝01主体部013涂覆有扩散补偿源02，在给发叉型钨丝03通电时会对单晶钨丝01进行加热，主体部013上的扩散补偿源02在加热后会分解并扩散到第一端部011，并在第一端部011顶端011a的(100)晶面附着，从而降低功函数，这种大曲率半径且低功函数的肖特基电子源结构可以在较低的真空环境中，发射大束流、低能散的电子束，提升了肖特基电子源的发射性能。

以上对本发明所提供的一种肖特基电子源结构以及制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种肖特基电子源结构，其特征在于，所述肖特基电子源结构包括：

单晶钨丝，所述单晶钨丝的延伸方向上包括相对设置的第一端部与第二端部，以及位于所述第一端部与所述第二端部之间的主体部；所述第一端部的曲率半径为R，其中R＞2μm；

扩散补偿源，所述扩散补偿源位于所述主体部；

发叉型钨丝，所述发叉型钨丝与所述第二端部连接。

2.根据权利要求1所述的肖特基电子源结构，其特征在于，所述第一端部在第一方向上的宽度逐渐减小；所述第一方向为所述第二端部指向所述第一端部的方向。

3.根据权利要求1所述的肖特基电子源结构，其特征在于，所述第一端部的顶端在高电场环境中加热处理后形成(100)晶面。

4.根据权利要求1所述的肖特基电子源结构，其特征在于，所述主体部的形状为圆柱形。

5.根据权利要求4所述的肖特基电子源结构，其特征在于，所述主体部的直径为0.12mm。

6.根据权利要求1所述的肖特基电子源结构，其特征在于，所述扩散补偿源为位于所述主体部的扩散补偿源涂层。

7.根据权利要求1所述的肖特基电子源结构，其特征在于，所述发叉型钨丝包括第一部分与第二部分；

所述第一部分的第一端与所述第二部分的第二端在延伸方向上形成一个夹角。

8.根据权利要求7所述的肖特基电子源结构，其特征在于，所述夹角的角度为55°-65°。

9.根据权利要求7所述的肖特基电子源结构，其特征在于，所述第一端与所述第二端连接形成连接部；

所述连接部与所述第二端部部分连接。

10.一种肖特基电子源结构的制备方法，用于制备权利要求1-9任一项所述的肖特基电子源结构，其特征在于，所述制备方法包括：

对单晶钨丝以及发叉型钨丝进行处理，并将所述发叉型钨丝与所述单晶钨丝的第二端部连接得到连接结构；

对所述连接结构进行焦耳热熔断处理得到第一端部与主体部；

在所述主体部涂覆扩散补偿源，并对所述发叉型钨丝进行通电处理以及对所述单晶钨丝进行加热处理得到肖特基电子源结构。

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