KR102224612B1 - 진공 환경에서 사용하기 위한 고휘도 붕소 함유 전자 빔 에미터 - Google Patents

진공 환경에서 사용하기 위한 고휘도 붕소 함유 전자 빔 에미터 Download PDF

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루디 가르시아
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Abstract

금속 붕화물 물질을 함유한 에미터는 반경이 1㎛ 이하인 적어도 부분적으로 둥글게 된 팁을 갖는다. 전계가 에미터에 인가되고 전자빔이 에미터로부터 생성된다. 에미터를 형성하기 위해, 반경이 1㎛ 이하인 둥근 팁을 가진 금속 붕화물 물질을 함유한 에미터를 형성하도록 물질이 단결정 봉으로부터 제거된다.

Description

진공 환경에서 사용하기 위한 고휘도 붕소 함유 전자 빔 에미터
관련 출원에 대한 상호 참조
이 출원은 2016년 6월 30일자 출원된 미국 가특허 출원 제62/356,738호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 미국 가특허 출원의 내용은 인용에 의해 본원에 통합된다.
기술분야
본 발명은 붕소 화합물로부터 제조된 전자 에미터(electron emitter)에 관한 것이다.
알칼리 토금속 및 희토류 붕소 화합물은 열이온 방출에 사용될 수 있다. 이러한 물질은 텅스텐 열이온 음극보다 우수한 붕소 화합물 음극을 만드는 물리적 및 화학적 특성을 갖는다. 란타늄 육붕화물(LaB6) 음극은 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM) 설계, 투과형 전자 현미경, 전자빔 리소그래피 시스템 및 다른 전자 광학 시스템에서 열이온 전자 에미터용으로 사용되어 왔다. 특히 낮은 빔 에너지에서 전자 광학 시스템 성능을 부스팅하는 동안, 이러한 붕소 화합물 음극은 산화 관련 손상을 줄이기 위해 진공 기술에서 복잡한 개선을 요구하였다.
LaB6와 같은 붕소 화합물은 전형적인 음극 동작 온도에서 산화제 및 습기에 매우 잘 반응한다. 전술한 시스템들은 붕소 화합물 음극 주위에서 진공 환경을 유지하기 위해 콜드 트랩, 스퍼터 이온 펌프, 진공 실(seal), 용접형 금속 벨로즈 및 실링 기술을 사용하였다. 붕소 화합물 열이온 에미터는 방출 안정성을 제공하기 위한 개선을 또한 요구한다. 예를 들면, 시간이 지남에 따라 유전체 막이 음극 위에 축적되기 때문에, 음극 팁만에 대한 유효 방출 면적을 줄이기 위해 독립 베넬트(Wehnelt) 바이어스 공급장치를 사용하였다. 순도 및 청결 문제 때문에, 붕소 화합물 음극을 이용한 열이온 동작을 제공하기 위해 특수 물질이 필요하였다.
이러한 개선이 있음에도 불구하고, LaB6의 열이온 방출 전자총 어셈블리는 동작 평형(operating equilibrium)에 도달하지 못하였고, 동작 중의 온도는 내부 습기를 제거하는데 충분하지 못하였다. LaB6 음극 환경에서 습기의 높은 분압은 음극에 대한 질량 손실, 부식 및 손상을 야기하였다. 음극에 대한 부적절한 동작 환경은 질량 손실을 가속화할 수 있다.
LaB6는 삼극관 전자총 구성에서 큰 방출 면적 열이온 에미터로서 사용되지 않았다. 소스 휘도는 삼극관 전자총 구성에서 공간 전하 효과에 의해 제한된다. 바람직하지 않은 "몰타 십자"(Maltese cross)형 전자 방출을 방지하기 위해 사용하는 베넬트 전위는 양극으로부터의 추출 전위를 부분적으로 차단할 수 있다. 열이온 에미터로서 사용될 때(예를 들면, 약 1800K에서), 음극 물질은 붕화물 물질(boride material) 또는 형성된 산화물의 산화 및 승화를 통해 질량 손실을 입는다. 승화 처리는 음극의 형상 및 방출 특성에 변화를 일으키고, 시간이 지남에 따라서 방출 표면의 일부 또는 대부분의 에미터 물질이 손실될 수 있다. 임의의 승화 또는 기화된 산화물은 옵틱스의 불안정성에 기여하는 절연막이 될 수 있다.
음극을 감소된 온도로 동작시키면 음극으로부터 붕화물 물질의 질량 손실률을 줄일 수 있다. 더 낮은 온도는 베넬트 전극(예를 들면, LaB6)의 배면측에서의 물질 증착을 줄인다. 그러나 고진공 환경의 감소된 온도에서 금속(예를 들면, La, Hf) 또는 다른 희토류 붕화물 음극 에미터의 동작은 유기 오염물의 분압에 의해 방출 표면이 쉽게 망가지게 할 수 있다.
그러므로 개선된 금속 붕화물 전자 에미터가 필요하다.
제1 양태에서 장치가 제공된다. 장치는 금속 붕화물 물질을 함유한 에미터를 포함한다. 에미터는 반경이 1㎛ 이하인 적어도 부분적으로 둥글게 된 팁을 갖는다.
금속 붕화물 물질은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속, 란탄족 원소 및 악티늄족 원소로 이루어진 리스트로부터 선택된 종들을 포함할 수 있다. 금속 붕화물 물질은 금속 육붕화물 물질일 수 있다. 금속 붕화물 물질은 LaB6를 포함할 수 있다. 금속 붕화물 물질은 <100> 결정 방위를 가질 수 있다.
에미터는 1㎟ 미만의 방출 면적을 가질 수 있다. 둥근 팁은 700nm 이하의 반경, 450nm 이하의 반경 또는 100nm 이하의 반경을 가질 수 있다. 에미터는 1㎛2 미만의 방출 면적을 가질 수 있다. 상기 적어도 부분적으로 둥글게 된 팁은 평평한 방출 마면을 포함할 수 있다.
제2 양태에서 방법이 제공된다. 방법은 금속 붕화물 물질을 함유한 에미터를 제공하는 단계와; 에미터에 전계를 인가하는 단계와; 에미터로부터 전자빔을 생성하는 단계를 포함한다. 에미터는 반경이 1㎛ 이하인 적어도 부분적으로 둥글게 된 팁을 갖는다.
상기 생성하는 단계는 초저온 전계 방출 모드, 실온 전계 방출 모드, 따뜻한 온도 전계 방출 모드, 열 전계 모드 및/또는 광음극 모드에서 발생할 수 있다. 상기 따뜻한 온도 전계 방출 모드는 주변 온도보다 높고 1000K 이하인 온도에서 동작한다.
상기 생성하는 단계는 10-9 이하의 동작 압력 또는 10-11 이하의 동작 압력에서 발생할 수 있다.
제3 양태에서 방법이 제공된다. 방법은 금속 붕화물 물질을 함유한 에미터를 형성하기 위해 단결정 봉으로부터 물질을 제거하는 단계를 포함한다. 에미터는 반경이 1㎛ 이하인 적어도 부분적으로 둥글게 된 팁을 갖는다.
본 발명의 특징 및 목적을 더 완전하게 이해하기 위해 첨부 도면과 함께하는 이하의 상세한 설명을 참조한다.
도 1은 본 발명에 따른 전자 방출 시스템의 실시형태의 정면도이다.
도 2는 금속 육붕화물의 분자 구조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 흐름도이다.
도 4는 감소된 휘도를 LaB6의 추출기 전압과 비교하여 보인 도이다.
도 5는 감소된 휘도를 LaB6의 팁 정점 전계와 비교하여 보인 도이다.
비록 청구되는 발명을 소정 실시형태와 관련하여 설명하지만, 여기에서 설명하는 모든 이익 및 특징들을 제공하지 않는 실시형태를 포함한 다른 실시형태들도 또한 본 발명의 범위 내에 포함된다. 각종의 구조적, 논리적, 프로세스 단계 및 전자적 변화가 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 특허 청구범위에 의해서만 규정된다.
여기에서 설명하는 실시형태는 고휘도, 양호한 안정성 및 긴 수명을 가진 에미터를 제공한다. 여기에서 설명하는 것처럼, 에미터의 방출 면적은 종래의 붕화물 음극으로부터 감소되어 휘도를 개선한다. 붕화물 방출 면적은 전형적으로 수십 내지 수백 ㎛2이다. 열이온 방출 표면의 휘도는 부분적으로 방출 면적의 크기에 의해 규정된다. 예를 들면, 전형적인 에미터는 직경이 20㎛ 이상일 수 있다. 여기에서 설명하는 에미터는 대신에 1㎛2 미만의 방출 면적을 가질 수 있다. 방출 면적 크기의 감소는 휘도를 몇 배 증가시킬 수 있다. 여기에서 설명하는 실시형태는 기존 시스템에 적용될 수 있고, 이것은 재설계 비용을 감소시킨다.
도 1은 에미터(101) 및 에미터 장착 기구(102)를 포함한 전자 방출 시스템(100)의 정면도이다. 전자 방출 시스템(100)은 전자 방출 시스템(100) 주위의 환경 또는 공간에 전자를 방출하도록 구성된다. 에미터(101)는 제1부분(103), 제2부분(104) 및 둥근 팁(105)을 갖는다. 제1부분(103)은 원통형일 수 있다. 둥근 팁(105)이 없으면, 제2부분(104)은 대략 절두원추형일 수 있다. 제2부분(104)은 제1부분(103)의 말단부에 배치될 수 있다. 제2부분(104)은 제1부분(103)과 둥근 팁(105) 사이에서 점점 작아지는(tapering) 폭 또는 직경을 가질 수 있다. 제1부분(104)과 제2부분(105)은 대체로 둥글 수 있지만, 제1부분(104)과 제2부분(105)은 둘 다 결정 구조 때문에 마면으로 될 수 있다. 제2부분(104)의 말단부에 배치된 둥근 팁(105)은 일반적으로 잘린 구(truncated sphere)일 수 있다. 둥근 팁(105)은 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 둥글 수 있다. 여기에서 설명하는 것 외의 다른 형상들도 가능하다.
제1부분(103) 또는 제1부분(103)과 제2부분(104)은 에미터(101)의 "샤프트"로서 설명할 수 있다. 에미터(101)의 샤프트는 에미터 장착 기구(102)에 의해 유지된다.
에미터(101), 제1부분(103), 제2부분(104) 또는 둥근 팁(105)의 치수는 다르게 할 수 있다. 에미터(101)의 샤프트 또는 에미터(101) 자체는 길이 및 직경과 관련하여 나노미터 규모 또는 미크론 규모일 수 있다.
에미터 장착 기구(102)의 구성은 도 1에 도시된 것과 다르게 할 수 있다. 일 예로서, 에미터 장착 기구(102)는 머리핀 다리용 전극으로 세라믹 절연체 위에 자리잡은 텅스텐 머리핀을 이용하여 에미터 팁을 지지한다. 머리핀은 플래시 청소를 제공하기 위해, 또는 에미터 온도를 열전계 방출(thermal field emission, TFE) 값(예를 들면, 약 1,800K)까지 상승시키기 위해 가열될 수 있다. 접지 참조 전원은 약 5KV일 수 있는 바이어스 전압을 에미터에 제공할 수 있다.
전계가 전자 방출 시스템(100)에 인가되거나 또는 다른 방식으로 전자 방출 시스템(100)에서 인가된다. 전계는 대전판을 이용해서 또는 다른 기법을 이용해서 인가될 수 있다.
둥근 팁(105)은 전자 방출 시스템(100) 주위의 비워진 공간에 자유 전자를 방출하도록 구성된다. 도 1의 삽화에서 알 수 있는 바와 같이, 둥근 팁(105)은 소정의 반경(106)을 갖는다. 반경(106)은 둥근 팁(105)의 부피 내의 둥근 팁(105)의 중심으로부터 외부 표면(107)까지 측정될 수 있다. 둥근 팁(105)은 1.0nm까지의 모든 값 및 그들 사이의 범위를 포함해서 1㎛ 미만의 반경(106)을 가질 수 있다. 예를 들면, 둥근 팁(105)은 700nm 이하, 450nm 이하 또는 100nm 이하의 반경(106)을 가질 수 있다. 반경은 0㎛보다 크다.
에미터(101)는 1㎛2 미만의 방출 면적을 가질 수 있다. 이 방출 면적은 둥근 팁(105)의 외부 표면(107)의 일부일 수 있다.
둥근 팁(105)은 균일하게 둥글게 되거나 불균일하게 둥글게 될 수 있다. 둥근 팁(105)은 평평한 방출 마면(109)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 작은 <100> 방위 나노-플랫의 형태로 평평한 방출 마면(109)이 있을 수 있다. 이 평평한 방출 마면(109)은 시준이 잘 된 전자빔을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 일 예로서, 평평한 방출 마면(109)은 1㎛2 미만의 방출 면적을 제공할 수 있다.
다른 예로서, 둥근 팁(105)은 대략 반구형 또는 포물면 형상을 갖는다. 이러한 형상은 전자 방출을 더 넓게 분산시킬 수 있고, 이것은 전자 옵틱스를 통과하는 전자의 더 작고 더 밝은 부분을 만들 수 있다.
원하는 둥근 팁(105)을 제공하기 위해, 표면 결정도를 제어할 수 있다.
둥근 팁(105)의 직경을 감소시키거나 다른 방식으로 둥근 팁(105)의 반경을 변화시키면 방출 빔의 휘도를 증가시킨다. 에미터의 감소된 휘도(Br)는 수학식 1로서 규정된다.
Figure 112019009912173-pct00001
수학식 1에서 I는 전계 방출 전류이고, rvs는 가상 소스의 반경이고, Ω은 빔의 입체각이고, Vext는 동작 전압이다. 팁의 직경이 감소할 때 휘도의 수학식에서 2개의 파라미터가 변한다. 첫째로, 팁이 작을수록 팁에서 전계의 향상이 더 높고, 그래서 소정의 전류를 방출하는데 필요한 전압이 감소하고 Vext의 값이 감소하여 감소된 Br에 대한 값을 더 높게 한다. 둘째로, 작은 팁 직경은 가상 소스 크기(rvs)를 더 낮춰서 감소된 Br의 값을 더 높게 한다.
1㎛ 미만의 반경을 가진 둥근 팁(105) 또는 nm 규모의 둥근 팁(105)을 사용하면 휘도를 증가시킨다. 전자가 더 작은 표면적으로부터 방출되기 때문에 휘도는 전형적으로 반경이 감소할 때 증가한다. 100nm 미만의 반경을 가진 붕화물 에미터는 더 높은 휘도 값을 제공할 것이다. 예를 들면, 5nm, 10nm, 25nm, 50nm 및 100nm의 반경인 경우에, 에미터의 방출 표면적은 각각 약 160nm2, 630nm2, 3,930nm2, 15,710nm2 및 62,830nm2이다.
둥근 팁(105)의 방출 면적은 1mm2 미만일 수 있다. 둥근 팁(105)의 방출 면적은 둥근 팁(105)의 전체 표면적 또는 둥근 팁(105)의 표면적의 단지 일부에 대응할 수 있다. 예를 들면, 방출 면적은 평평한 방출 마면(109)에 대응할 수 있다.
에미터(101)는 금속 붕화물 물질로 제조될 수 있다. 예를 들면, 금속 붕화물 물질은 도 2에 도시된 것과 같은 금속 육붕화물일 수 있다. 도 2에서, 금속은 큰 구(M)로 표시되고 붕소는 작은 구(B)로 표시된다. 금속 붕화물 물질의 금속은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속, 란탄족 원소 및 악티늄족 원소로 이루어진 리스트로부터 선택된 종들을 포함할 수 있다. 에미터는 여기에서 설명하는 것처럼 금속 붕화물 물질을 포함하거나 금속 붕화물 물질로 (본질적으로) 구성될 수 있다.
일 예로서, 금속 붕화물 물질은 LaB6, CsB6, CeB6, CaB6 또는 다른 금속 육붕화물이거나 이러한 물질을 포함한다. 금속 붕화물 물질은 란탄족 그룹의 다른 희토류 육붕화물을 포함할 수 있다. 많은 금속 붕화물 물질은 그 각각의 일함수가 유사하고, 각각 일반적으로 유사한 방식으로 표면 오염물(예를 들면, 산소, 물)에 반응하며, 각각 전형적으로 열이온 에미터와 동일한 일반 온도 주위에서 동작하기 때문에 에미터에서 유사하게 행동한다. 그러나 금속 붕화물 물질들은 상이한 휘발성을 갖는다. 예를 들면, CeB6는 LaB6보다 기화에 대한 내성이 더 강하다. 에미터(101)를 감소된 온도에서 동작시키면 기화 효과를 감소시킬 수 있다.
금속 육붕화물 구조는 낮은 일함수를 제공하는 전이 금속 또는 란탄족 금속과 같은 금속 주위에 붕소 클러스터의 케이지 구조를 포함한다(도 2에 도시된 것처럼). 케이지 구조의 분열은 표면에서 전자 밀도를 손상시킬 수 있다. 그러나 육붕화물 외의 다른 금속 붕화물 물질 구조는 에미터에서 수용 가능한 일함수를 제공할 수 있다.
금속 붕화물 물질은 또한 초전도 MT4B4 물질일 수 있고, 여기에서 M은 Sc, Y, Ln, Th 또는 U이고, T는 Ru, Os, Co, Rh 또는 Ir이다. 예를 들면, 금속 붕화물 물질은 CeCo4B4일 수 있다.
에미터의 휘도는 물질의 일함수에 반비례한다. 에미터 물질의 감소된 휘도는 수학식 1로 규정된다. 전계 방출 전류(I)는 물질의 일함수에 반비례한다. 일함수의 값이 낮을수록 더 높은 전류를 생성하고 그에 따라서 더 높은 휘도 값을 생성한다. 가상 소스 크기(rvs)는 1/4까지 상승된 일함수에 반비례하고, 그래서 가상 소스 크기는 일함수가 낮을수록 증가하지만, 전류의 증가는 낮은 일함수에 대한 더 높은 순 휘도(net brightness)를 초래한다.
육붕화물은 전형적으로 약 2eV의 밴드갭 에너지를 갖는다. 고휘도 전계 방출을 위한 수용 가능한 일함수는 전형적으로 5eV 이하이다. LaB6 또는 CeB6와 같은 육붕화물은 일함수가 3eV 이하이다. 육붕화물에 의해 충족되는 다른 에미터 물질 전기 속성은 유전체 유전율이다. 반도체의 유전체 특성은 전계가 물질에 침투하여 에너지 대역의 페르미 피닝(Fermi pinning)을 야기하게 한다. 이러한 페르미 피닝 또는 퇴행성은 전도대를 물질의 페르미 준위 아래로 이동시켜 금속 특성(즉 높은 전자 밀도)을 가진 방출 표면을 생성시킨다.
금속 붕화물 물질의 불순물들은 일함수에 영향을 줄 수 있다. 금속 붕화물 물질의 불순물 준위는 에미터에서 수용 가능한 일함수를 제공하도록 선택될 수 있다.
금속 붕화물 물질 화학식은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속, 란탄족 또는 악티늄족 원자와 같은 공유 및/또는 이온 결합 원자들을 포함할 수 있다. 일 예로서, 결정의 대부분은 공유 결합을 포함하고 결정의 표면은 이온 결합을 포함한다. 결정의 다른 결합 구성도 가능하다.
일 예로서, 금속 붕화물 물질은 다른 금속 붕화물들의 조합을 포함할 수 있다.
둥근 팁(105)에서 금속 붕화물 방사 표면은 휘도를 개선하기 위해 단결정 물질로 제조될 수 있다. 비정질 또는 다결정 금속 붕화물 물질을 또한 이용할 수 있다. 일 예로서, 금속 붕화물 물질은 완전한 결정질이다. 다른 예로서, 금속 붕화물 물질은 부분적으로 결정질이다.
에미터(101)에서 금속 붕화물 물질의 결정 방위는 도 2에 도시된 것처럼 <100>일 수 있다. <100> 결정 방위는 LaB6의 경우에 가장 낮은 일함수 중의 하나를 갖는다. 약 3.0eV 미만의 일함수를 가진 대안적인 결정학적 방위를 또한 사용할 수 있다. 예를 들면, <310> 표면은 열적으로 안정되고 2.50eV에서 LaB6의 임의의 단결정 평면의 최저 일함수를 갖는다. 일함수가 증가하는 순서의 LaB6의 결정 방위는 (210), (100), (110), (111) 및 (211)이다. 예를 들면, (100), (110), (111) 및 (210)의 LaB6 결정 방위는 각각 2.3eV, 2.5eV, 3.3eV 및 2.2eV의 일함수를 생성한다. 증가하는 일함수를 가진 방위는 이들이 열적으로 덜 안정되고 성장 중에 재정렬(reorder)될 수 있기 때문에 성장시키는 것이 어려울 수 있다. 비 큐브면은 또한 탄소 오염에 더 민감할 수 있다.
전자 방출 시스템(100)에 전계를 인가함으로써 전자들이 생성된다. 도 3에 도시된 것처럼, 반경이 1㎛ 이하인 둥근 팁을 가진 금속 붕화물 물질을 포함한 에미터가 제공된다(200). 전계가 에미터에 인가된다(201). 전자빔이 에미터로부터 생성된다(202).
모든 범위 및 범위들 사이의 0.1kV까지의 값을 포함해서 약 0.5kV 내지 10kV의 추출 전압을 사용할 수 있다. 예를 들면, 추출 전압은 약 1kV 내지 10kV 또는 약 1.5kV 내지 10kV일 수 있다.
금속 붕화물 물질의 전계는 모든 범위 및 범위들 사이의 0.1V/nm까지의 값을 포함해서 약 1V/nm 내지 4V/nm의 범위일 수 있다. 특히 일함수가 최대 3eV인 금속 붕화물 물질에 대하여 1V/nm 내지 4V/nm의 전계 범위를 사용할 수 있고, 다른 전계 값도 가능하다.
일 예로서, LaB6 에미터는 약 1.5kV 내지 10kV의 범위이고 전계는 약 1V/nm 내지 3V/nm의 범위일 수 있다. 일 예로서, 전계는 약 1.4V/nm 내지 2.5V/nm의 범위이다.
에미터의 안정성은 제어될 수 있다. 둥근 팁(105)은 전형적인 시스템보다 더 작지만, 둥근 팁(105)의 더 작은 면적 또는 반경은 더 작은 입자 또는 오류가 불안정성을 야기할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 전자 방출 시스템(100)은 고휘도 및 긴 수명의 조합을 제공하기 위해 초정결(ultra-clean) 고진공 이상(E-9 토르 미만의 총 분압을 가진 방출 챔버 환경)에서 동작할 수 있다. 더 높은 압력을 가진 다른 진공 파라미터도 또한 수용 가능한 안정성, 휘도 및/또는 수명으로 사용될 수 있다. 둥근 팁을 가진 LaB6 에미터의 휘도는 도 4 및 도 5에서 상이한 동작 온도에서의 인가된 바이어스 전압 및 에미터 팁 정점 전계의 함수로서 도시되어 있다. 모델링 결과는 108a/(srㆍm2ㆍv)의 감소된 휘도가 1㎛ 이하의 반경을 가진 에미터 팁에 의해 달성될 수 있음을 보여준다.
초정결 고진공 환경에서의 동작은 LaB6를 포함한 금속 붕화물 에미터에 대하여 개선된 결과를 제공한다. LaB6 에미터에서의 대부분의 질량 손실은 약한 진공에 의해 야기되는 에미터 환경에서 반응 가스의 높은 분압과 관련된다. 초정결 고진공 동작은 소직경 에미터 구조의 기화 또는 승화를 통한 질량 손실을 감소시키고 더 안정된 동작 및 더 긴 에미터 수명을 가능하게 한다.
여기에서 설명하는 금속 붕화물 에미터는 초저온 전계 방출 모드, 실온 전계 방출 모드, 따뜻한 온도 전계 방출 모드, 열 전계 모드 또는 광음극 모드를 포함한 상이한 모드에서 동작하도록 구성될 수 있다. 상기 모드들의 조합이 또한 여기에서 설명하는 금속 붕화물 에미터를 이용하여 수행될 수 있다. 금속 붕화물 에미터는 특정 모드에 대하여 최적화될 수 있고, 또는 각각의 특정 모드에서 사용하는 파라미터들이 금속 붕화물 에미터에 대하여 조정될 수 있다. 예를 들면, 둥근 팁의 치수는 각 모드에 대하여 다를 수 있다.
초저온, 냉, 온 또는 쇼트키 방출의 경우에는 100nm 미만의 반경이 바람직하다. 광음극의 경우에, 붕화물 에미터는 나노팁 에미터일 수 있고, 또는 옹스트롱 규모의 거칠기를 가진 평평한 표면을 가질 수 있다. 에미터에 의해 흡수되는 광자는 물질의 에너지 밴드갭과 일치할 수 있다.
임의의 전계 방출 모드에서, 전계는 높은 양전압을 가진 전극을 이용하는 것과 같이 전자 방출 시스템에 인가된다. 높은 양전압은 전자들을 끌어당기고, 이로써 일부 전자가 에미터 표면을 떠나게 한다. 전자들은 인가된 전계가 둥근 팁-진공 계면에서 잠재적 장벽을 감소시키도록 충분히 높을 때 표면 장벽을 통해 터널링하고 바이어스된 양극 쪽으로 이동할 것이다(즉, 양자-기계 터널링).
초저온 전계 방출 모드의 동작 온도는 약 0K 내지 300K 미만일 수 있다. 시스템의 온도는 동작 중인 에미터의 온도 이하이다. 초저온 전계 방출은 방출된 전자들의 에너지 분포를 감소시킬 것으로 기대된다. 에너지 확산(ΔE)은 에미터에서 페르미-디락 분포를 좁힘으로써 감소될 수 있다. 초저온 전계 방출 모드는 방출을 안정되게 유지하기 위해 주기적인 온도 깜박임을 포함할 수 있다.
초저온 전계 방출에서 1㎛ 미만 또는 nm 규모의 반경을 가진 둥근 팁(105)의 사용은 휘도를 증가시키고 약 100℃ 내지 200℃의 에미터 온도와 같은 전형적인 에미터 온도에서 안정성을 제공할 수 있다.
MT4B4 금속 붕화물 물질은 초전도 특성을 제공하기 위해 초저온에서 사용될 수 있다.
실온 전계 방출은 일반적으로 65℉ 내지 100℉(18℃ 내지 38℃)에서 동작한다. 실온 전계 방출 동작 모드는 초저온 전계 방출과는 달리 하드웨어의 냉각을 요구하지 않으며, 따라서 구현에 드는 비용이 더 낮을 수 있다.
따뜻한 온도 전계 방출 모드는 주변 온도 이상 및 1000K 이하의 온도에서, 또는 주변 온도 이상 및 시스템에서 열이온 방출이 검출될 수 있는 온도 이하의 온도에서 동작한다. 에미터 온도는 시스템의 온도와 시스템에서 열이온 방출이 검출될 수 있는 온도 사이이다. 따뜻한 온도 전계 방출 모드는 전도대에서 더 높은 수의 전자들 때문에 감소된 전류 변동을 제공할 수 있고, 이것은 부피 내에서 전자-정공 상호작용을 감소시키고, 및/또는 에미터 팁에서 충돌 분자들의 더 작은 상주 시간을 야기한다. 따뜻한 전계 방출은 바람직하지 않은 충돌 분자(예를 들면, H2O, H2, CO, CO2, O2, N2 또는 탄화수소)의 결합 에너지를 감소시키는 장점이 있고, 따라서 에미터 표면에서 그들의 상주 시간을 감소시킨다.
열 전계 방출 모드는 더 낮은 추출 전압을 이용하여 예를 들면 실온 전계 방출 모드와 동일한 휘도를 달성할 수 있다. 열 전계 방출 모드에서의 에미터 온도는 약 1,800K일 수 있다. 에미터의 곡면 팁의 반경은 열 전계 방출 모드에서 0.5㎛ 내지 1㎛일 수 있고, 다른 반경도 가능하다. 열 전계 방출은 방출에 더 많은 활력 전자(energetic electron)를 이용할 수 있지만, 추가된 열 에너지 스펙트럼 때문에 에너지 확산이 증가한다. 열 전계 방출 모드의 한가지 장점은 흡착물의 상주 시간이 크게 감소될 수 있고, 그에 따라서 빔 전류의 고주파수 노이즈가 감소된다는 점이다. 전자 옵틱스는 에너지 확산을 감소시키도록 구성될 수 있다.
광음극 모드에서, 소정 주파수의 광이 에미터에 도달한다. 광전 방출은 전자들의 스트림을 생성하기 위해 발생한다. 따라서 광자가 흡수되고 전자는 에미터의 표면으로 이동하며, 전자들이 진공으로 빠져 나간다. 이것은 다른 전계 방출 모드와 함께 또는 별도로 수행될 수 있다.
일부 레티클 및 웨이퍼 검사 응용은 전체 검사 시간 중에 1% 미만의 안정성을 갖는 최저 가능성의 에너지 확산(ΔE) 및 최고 가능성의 감소된 휘도(Br)(빔 에너지로 정상화된 휘도)를 가진 전자원을 요구한다. 전계 에미터의 고주파수 전류 변동은 진공 내의 잔류 가스 분자의 일정한 흡착/탈착으로부터 시작할 수 있다. 평균 제곱근 노이즈는 방출 표면적의 1.5의 멱(power)에 반비례한다. 팁 반경이 더 작아짐에 따라, 동일한 진공 조건에서 더 높은 노이즈가 발생할 수 있다. 더 낮은 진공은 노이즈를 감소시킬 수 있다. 휘발성 종을 제거하고 휘발성 종이 표면에서 남아있는 것을 방지하기 위해(분자 상주 시간을 감소시킴), 및 깨끗한 방출 표면을 유지하기 위해, 방출 중에 둥근 팁을 소정 온도(예를 들면, 약 380K - 1,000K)로 가열하면 안정된 방출을 또한 제공할 수 있다. 에미터의 가열은 터널링 거리를 감소시키고 전자 에너지를 증가시키며, 전계 방출을 더 쉽게 한다. 그러나 에미터의 가열은 에너지가 넓어지게 하거나 더 큰 에너지 확산을 야기할 수 있다.
광음극 및 전계 방출 모드의 결합형은 하기의 공정이 발생할 수 있게 한다. 광자가 흡수되고, 전자들이 전도대에 있으며, 전자들이 표면으로 이동한다. 열이 에미터에 인가되고 전자들이 인가된 전계에 의해 진공으로 빠져나간다. 광자 에너지는 전형적으로 전자들을 전도대로 여기시키기에 충분하게 높아야 하지만 이온화 에너지보다 낮아야 한다. 레이저 침투 깊이는 레이저 전달을 최적화할 때 고려되어야 한다.
임의의 방출 모드에 있어서, 금속 붕화물 물질의 기화 속도는 전형적인 쇼트키 방출 온도에서 작은 팁 반경 전계 전자 에미터로서의 사용을 배제할 수 있다(예를 들면, 1500K 이상의 온도에서의 동작). 최적의 수명 및 안정성을 위해, 열역학 공정들 간의 물리적 균형 또는 인가된 추출 전계에 의한 예리함이 사용될 수 있다.
초저온 전계 방출, 실온 전계 방출, 따뜻한 온도 전계 방출 또는 광음극 모드에 대한 붕화물 전계 방출 에미터의 동작을 위한 최적의 총 압력은 10-9 토르 이하이다. 이 동작 압력은 진공 관련 분자(예를 들면, H2O, H2, CO, CO2, O2, N2 또는 탄화수소)들의 분압을 모두 합한 것이고, 임의의 다른 분자의 경우에, 분압은 10-10 토르 이하이다.
동작 압력은 동작 모드에 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 동작 압력은 방출 메카니즘 및 표면 활성 에너지에 따라 변할 수 있다. 열 전계 방출 모드는 10-9 토르 이하에서 동작할 수 있다. 초저온 전계 방출 모드는 10-10 토르 이하에서 동작할 수 있다. 초저온 전계 방출 모드는 10-11 토르 이하에서 또한 동작할 수 있다.
열 전계 방출에서, 추가된 열 에너지는 오염물을 더 쉽게 탈착할 수 있고, 그래서 압력에 대한 감도가 감소될 수 있다. 만일 흡착물에 대한 결합 에너지가 높으면, 흡착물의 충돌 속도를 감소시키기 위해 저압이 사용된다.
광음극에서, 조명원으로부터의 추가된 에너지는 임의의 표면 오염물을 탈착시키는 능력을 제공할 수 있지만, 이것은 사용하는 물질의 표면 활성 에너지에 의존할 수 있다.
동작 압력 또는 다른 진공 파라미터들은 에미터의 오염 또는 부식에 영향을 준다. 습기 또는 다른 입자들에 의해 야기되는 것과 같은 에미터 주위의 환경에 대한 높은 입자 수는 질량 손실을 가속화할 수 있다. 높은 일함수 표면만이 추출 전계에 노출되기 때문에 일함수 방출 면적은 사라질 수 있고 방출은 거의 0으로 떨어질 수 있다. 방출 물질의 임의의 피팅(pitting)이 결정학적으로 분열될 수 있고, 이것은 일함수에 영향을 준다.
예를 들면, 특히 낮은 동작 온도에서 방출 표면의 탄소 오염은 얇은 탄소층이 전자 스트림 방출 표면에서 형성할 때 발생할 수 있다. 탄소 오염물은 휘발성 진공 시스템 관련 유기물(예를 들면, 오일 또는 윤활유), 광택제 또는 세정제로부터의 잔유물, 면봉 또는 청소용 천으로부터의 잔여 섬유 또는 기타 소스에 의해 야기될 수 있다. 탄소 막은 높은 일함수 층을 가진 방출 표면을 망가뜨려서 방출 전류의 감소를 야기한다.
다른 예로서, 에미터로부터 물질의 산화, 승화 또는 기화는 습기 때문에 발생할 수 있다. 결과적으로, 내화성 또는 유전성 물질이 내부 표면, 개구 및 애노드 표면을 포함한 다른 표면상에 형성될 수 있다.
또 다른 예로서, 붕화물 물질의 산화는 붕화물 물질을 망가뜨릴 수 있다. 붕산염이 에미터 위 또는 내에서 형성될 수 있다.
탄소 오염, 습기 손상 또는 산화를 피하기 위해, 전자 방출 시스템 주위의 진공 환경이 제어된다. 상기 환경의 동작 압력은 동작 모드에 의존할 수 있다.
사용 전에, 붕화물 에미터는 에미터의 표면으로부터 임의의 산화물 층을 제거하기 위해 약 30분 동안 1600K까지 초정결 초고 진공 환경에서 가열함으로써 조절될 수 있다.
플로팅 존(floating zone) 기법을 이용하여 금속 붕화물 물질을 준비할 수 있다. 금속 붕화물 물질은 형상을 갖거나 그 크기가 감소될 수 있다. 금속 붕화물 에미터는 각종 방법으로 제조될 수 있다. 금속 붕화물 에미터는 예리한 팁을 형성하기 위해 단결정 봉을 갈고 닦기함으로써 제조될 수 있다. 금속 붕화물 에미터는 예리한 팁을 형성하기 위해 단결정 봉의 전기화학적 에칭에 의해 제조될 수 있다. 금속 붕화물 에미터는 예리한 팁을 형성하기 위해 물질을 선택적으로 제거하도록 단결정 봉을 반응 환경에 노출시킴으로써 제조될 수 있다. 금속 붕화물 에미터는 예리한 팁의 형성을 촉진하기 위해 단결정 봉 위의 패터닝된 측벽 코팅을 이용하여 물질을 선택적으로 제거하도록 단결정 봉을 반응 환경에 노출시킴으로써 제조될 수 있다. 금속 붕화물 에미터는 전자 에미터로서 사용하기 위해 단결정 나노입자 또는 나노와이어의 성장에 의해 제조될 수 있다. 금속 붕화물 에미터는 전자 에미터로서 사용하기 위해 단결정 나노입자 또는 나노와이어를 장착 구조물에 부착함으로써 제조될 수 있다. 금속 붕화물 에미터는 작은 바늘을 형성하도록 붕화물의 전자빔 유도 증착에 의해 제조될 수 있다. 금속 붕화물 에미터는 높은 산소압에서 열 보조 승화에 의해 제조될 수 있다. 금속 붕화물 에미터는 이온 충격에 의해 제조될 수 있다. 상기 각종 제조 기법들의 조합이 또한 수행될 수 있다.
일 예로서, 증착을 이용하여 금속 붕화물 에미터를 제조할 수 있다. LaB6와 같은 금속 붕화물은 소정 조건에서 가늘고 긴 종횡비의 바늘을 형성할 수 있다. 일 예로서, 전이 금속과 같은 소량의 오염 물질이 더 큰 시드 결정 표면에 증착된다. 시드 결정 및 금속 오염물의 가열은 물질 표면을 이동시킨다. 금속 오염물은 큰 시드 결정에 부착된 지향성 단결정으로의 붕화물 성장을 촉진시킨다. 시드 결정은 홀더로서 소용될 수 있다.
다른 예로서, 기체 환경으로부터 작은 바늘의 생성이 수행될 수 있다. 지지 구조물은 전이 금속을 내포한 탄소 나노튜브일 수 있다. 이러한 구조물은 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD) 또는 다른 공정을 이용하여 생성될 수 있다.
본 발명의 각종 실시형태는 레티클 및 웨이퍼 검사 및 계측 시스템에서 사용될 수 있다. 시스템들은 바람직한 진공 환경 명세를 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 시스템들의 예는 단일 또는 복수의 전자원을 이용한 전자빔 웨이퍼 또는 레티클 검사 시스템; 단일 또는 복수의 전자원을 이용한 전자빔 웨이퍼 또는 레티클 리뷰 시스템; 단일 또는 복수의 전자원을 이용한 전자빔 웨이퍼 또는 레티클 계측 시스템; 또는 웨이퍼 또는 레티클 계측, 리뷰 또는 검사에 이용하기 위해 단일 또는 복수의 전자원을 이용하여 엑스선을 생성하는 적어도 하나의 전자원을 요구하는 시스템을 포함한다. 에미터로부터의 전자 스트림은 반도체 웨이퍼 또는 다른 워크피스와 같은 샘플 쪽으로 지향될 수 있다. 전자 스트림은 바람직한 빔 에너지 및 빔 전류를 가진 전자빔을 형성하기 위해 추출 전극 및 집속 전극을 통해 이동할 수 있다. 샘플 위에 작은 전자빔 스폿을 생성하기 위해 하나 이상의 렌즈를 이용할 수 있다. 편향기를 이용하여 상기 전자빔을 스캔할 수 있다. 샘플은 스테이지 위에 배치될 수 있고, 스테이지는 전자빔과 관련하여 스캐닝할 수 있다. 전자빔이 샘플에 부딪칠 때 이차 전자 및 후방 산란 전자들이 샘플로부터 방출될 수 있고, 이 전자들은 수집되어 검출기 쪽으로 가속화될 수 있다.
비록 본 발명을 하나 이상의 특정 실시형태와 관련하여 설명하였지만, 본 발명의 다른 실시형태들이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 구성될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명은 첨부된 특허 청구범위 및 그 합리적인 해석에 의해서만 제한되는 것으로 간주한다.

Claims (20)

  1. 장치에 있어서,
    금속 붕화물 물질을 함유한 에미터(emitter)를 포함하고,
    상기 에미터는 잘린 구(truncated sphere)의 형태로 이루어진 적어도 부분적으로 둥글게 된 팁을 갖는 절두원추형 부분(frustoconical section)을 포함하며, 상기 적어도 부분적으로 둥글게 된 팁은 1 ㎛ 이하의 만곡된 외부 표면에 대한 반경을 갖고,
    상기 에미터는 상기 둥글게 된 팁의 반경의 치수, 압력 및 진공 조건 중, 적어도 하나에 기초하여, 초저온 전계 방출 모드, 실온 전계 방출 모드, 따뜻한 온도 전계 방출 모드, 열 전계 모드 또는 광음극 모드 중 하나에서 작동하도록 구성되는 것인 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 붕화물 물질은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속, 란탄족 원소 및 악티늄족 원소로 구성된 리스트로부터 선택된 종들을 포함한 것인 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 붕화물 물질은 금속 육붕화물 물질인 것인 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속 붕화물 물질은 LaB6를 포함한 것인 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 에미터는 1mm2 미만의 방출 면적을 갖는 것인 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 금속 붕화물 물질은 <100> 결정 방위를 갖는 것인 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반경은 700nm 이하인 것인 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 반경은 450nm 이하인 것인 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 반경은 100nm 이하인 것인 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 적어도 부분적으로 둥글게 된 팁은 평평한 방출 마면(facet)을 포함한 것인 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 에미터는 1㎛2 미만의 방출 면적을 갖는 것인 장치.
  12. 방법에 있어서,
    금속 붕화물 물질을 함유한 에미터 - 상기 에미터는 잘린 구의 형태로 이루어진 적어도 부분적으로 둥글게 된 팁을 갖는 절두원추형 부분을 포함하며, 상기 적어도 부분적으로 둥글게 된 팁은 1 ㎛ 이하의 만곡된 외부 표면에 대한 반경을 가짐 - 를 제공하는 단계와;
    상기 에미터에 전계를 인가하는 단계와;
    상기 에미터로부터 전자 빔을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 생성하는 단계는 상기 둥글게 된 팁의 반경의 치수, 압력 및 진공 조건 중, 적어도 하나에 기초하여, 초저온 전계 방출 모드, 실온 전계 방출 모드, 따뜻한 온도 전계 방출 모드, 열 전계 모드 또는 광음극 모드 중 하나에서 발생하는 것인 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제12항에 있어서, 상기 따뜻한 온도 전계 방출 모드는 주변 온도보다 높고 1000K 이하인 온도에서 동작하는 것인 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제12항에 있어서, 상기 생성하는 단계는 10-9 Torr 이하의 동작 압력에서 발생하는 것인 방법.
  19. 제12항에 있어서, 상기 생성하는 단계는 10-11 Torr 이하의 동작 압력에서 발생하는 것인 방법.
  20. 방법에 있어서,
    금속 붕화물 물질을 함유한 에미터를 형성하도록 단결정 봉으로부터 물질을 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 에미터는 잘린 구의 형태로 이루어진 적어도 부분적으로 둥글게 된 팁을 갖는 절두원추형 부분을 포함하며, 상기 적어도 부분적으로 둥글게 된 팁은 1 ㎛ 미만의 만곡된 외부 표면에 대한 반경을 갖고,
    상기 에미터는 상기 둥글게 된 팁의 반경의 치수, 압력 및 진공 조건 중, 적어도 하나에 기초하여, 초저온 전계 방출 모드, 실온 전계 방출 모드, 따뜻한 온도 전계 방출 모드, 열 전계 모드 또는 광음극 모드 중 하나에서 작동하도록 구성되는 것인 방법.
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