KR102539958B1

KR102539958B1 - 전자 소스 및 전자총

Info

Publication number: KR102539958B1
Application number: KR1020207022412A
Authority: KR
Inventors: 후아롱 류; 준팅 왕; 슈에후이 왕; 유슈안 치; 시안빈 후; 슈에밍 진; 짜오 후앙; 디찌 첸; 이징 리; 요우인 뎅
Original assignee: 38번 리서치 인스티튜트, 차이나 일렉트로닉스 테크놀로지 그룹 코포레이션
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2023-06-05
Also published as: EP3736848A1; WO2020073506A1; CN111048383A; US20210050175A1; JP2021513191A; TW202029260A; EP3736848A4; EP3736848B1; JP6952907B2; CN111048383B; KR20200105889A; US11189453B2; TWI728497B

Abstract

본 개시에서는 전자 소스를 제공하는 바, 이 전자 소스는, 하나 또는 복수의 팁을 포함하며, 적어도 하나의 팁은 하나 또는 복수의 고정된 방출 사이트를 포함하고, 상기 방출 사이트는 팁 표면의 금속 원자와 기체 분자에 의해 형성된 반응 산물을 포함한다. 또한, 본 개시에서는 전자총을 제공한다.

Description

전자 소스 및 전자총

본 개시는 전자 소스(electron source)의 기술 분야에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 전계 방출에 의한 전자 소스와 전자총(electron gun)에 관한 것이다.

금속 중의 자유 전자는 특정적인 조건하에서 방출될 수 있는 것으로, 금속으로 음극을 극히 가는 팁(tip) 형상으로 형성한 후 진공 상태에서 수천 볼트의 전압을 인가하면, 금속 중의 전자는 음극 냉각 금속으로부터 방출될 수 있다. 전자를 방출하는 이런 방법을 전계 방출(field emission)이라 하는데, 이는 냉음극 방출에 속한다.

전자 소스에 있어서, 가장 중요한 지표는 명도(brightness)로, 이는 빔 품질을 직접 결정한다. 추출전압이 V0인 경우, 명도는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, B는 명도이고, I는 방출 전류이며, S는 등가 방출면적(equivalent emission area)이고, d는 등가 지름이며, Ω는 공간 방출각이고, α는 방출 반각이다. 또한, 명도(B)는 가속 전압(V_a)에 정비례하는 바, 수학식 2에 나타내는 바와 같다.

수학식 1에서 알 수 있듯이, 높은 명도를 얻기 위해서는, I를 되도록 크게 하고, 또한 α와 d를 감소시켜야 한다. 또한, 일정한 방출 전류를 얻는데 필요한 추출전압(V0)은 작을수록 좋으나, 이는 팁의 방출면이 비교적 낮은 일함수 및 비교적 첨예한 헤드 구조를 가질 것을 요구한다. 또한, 단색성은 전자 소스의 또 다른 관건적인 지표로, 에너지 분산(δE)으로 나타낼 수 있다.

상술한 경우를 종합하여 고려하면, 가장 이상적인 전자 소스는 냉음극 전계 방출 전자 소스(cold field emission electron sources, CFE라 약칭함)로, CFE의 명도는 기타 종류의 전자 소스보다 약 1단위 이상 높고, 아주 작은 에너지 분산(~0.3eV)을 가진다. 또한, 될수록 한계지름 요구를 충족시키기 위하여, 최근에는 낮은 일함수를 가지는 원자 크기의 전자 소스가 연구의 핫잇슈로 부각되었는데, 방출 사이트(emission site)는 하나의 원자 만으로 구성되거나 복수의 원자로 구성된다.

본 개시의 기술 사상을 실현하는 과정에서, 발명자들은 종래 기술에서의 CFE에는 적어도 아래와 같은 문제점들이 존재함을 발견하였다. 첫째로, CFE는 안정성이 일반적으로 아주 열악한 바, 아주 높은 진공(10^-9~10^-8 Pa) 하에서만 동작할 수 있는데, 이는 그 사용 범위를 크게 제한하고 있다. 또한, 이러한 환경하에서도, 비교적 안정적인 동작 상태를 얻도록, 정기적으로 처리를 행하여야 했다. 둘째로는, 이온 충격(ion bombardment)의 영향을 받아, CFE가 비교적 쉽게 타버린다. 셋째로는, 상술한 문제점들은 방출 전류가 비교적 큰 경우 더욱 선명해지는데, 일반적으로 종래의 CFE가 장기간 안정적으로 동작할 수 있는 총 방출 전류는 ~10μA이며 그 이용률이 아주 낮다. 상술한 문제점들을 감안하여, 명도가 높은 전자 소스 분야에서 주도적 위치를 차지하는 것은 쇼트키 전계 방출 전자 소스 (Schottky thermal-field emission source)이다.

본 개시는 안정적이고, 비교적 큰 전계 방출 전류를 가지며, 비교적 열악한 진공도 하에서 동작할 수 있는 전자 소스와 전자총을 제공한다.

본 개시의 일 측면에서는 전자 소스를 제공하는데, 상기 전자 소스는, 하나 또는 복수의 팁을 포함하며, 적어도 하나의 팁은 하나 또는 복수의 고정된 방출 사이트를 포함하고, 상기 방출 사이트는 팁 표면의 금속 원자와 기체 분자에 의해 형성된 반응 산물을 포함한다. 이 방출 사이트는 팁 표면에 고정된 금속 원자와 기체 분자에 의해 형성된 반응 산물로, 팁 표면에 유리(遊離)된 상태로 존재하는 기체 분자 또는 입자 등이 아니라 팁 표면에 심어지는 것이므로, 유리 상태의 방출 사이트가 집결되어 새로운 방출 사이트를 형성함으로 인한 과전류의 번 아웃(burnout)을 초래하지 않으며, 안정성을 효과적으로 향상시킨다. 또한, 이 방출 사이트는, 팁 표면의 금속 원자와 기체 분자에 의해 형성된 반응 산물을 포함하는데, 금속 원자 또는 기타 금속 화합물(예를 들면, 금속 붕화물 등)에 비하여 동작 시(기체 분자가 존재) 더욱 양호한 안정성을 가지고, 동작 시 수소 등과 같은 기체와 작용 또는 반응하기 더욱 어려운 바, 전자 소스의 안정성을 더욱 향상시킨다. 또한, 본 개시에서 제공하는 전자 소스의 방출 사이트는, 하나 또는 복수의 금속 원자와 기체 분자에 의해 형성된 반응 산물일 수 있는바, 낮은 일함수를 가지는 원자 크기의 전자 소스를 형성할 수 있다. 또한, 이 반응 산물은 표면 일함수를 대폭 저하시키고, 표면 방출 사이트의 뿔 형성도 방출 능력을 대폭 향상시킨다. 또한, 방출 사이트의 양을 증가함으로써 전계 방출 전류의 전류값을 증가시킬 수 있다. 이로써 안정적이고, 비교적 큰 전계 방출 전류를 가지는 전자 소스를 형성할 수 있다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 방출 사이트는, 금속 원자와 기체 분자가 전기장 하에서 형성된 반응 산물을 포함한다. 이로써 팁의 소정 위치, 특히는 전기장 우위를 가지는 위치에, 예를 들면, 팁의 돌기 부분과 같은 위치에 방출 사이트를 형성하기 쉽다.

본 개시의 실시예에 따르면, 구체적인 실시예에서, 적어도 하나의 팁은, 기판과, 전계강도가 상기 기판의 기타 부위보다 높은 상기 기판 상의 하나 또는 복수의 고(高)전계강도구조를 포함하며, 적어도 하나의 상기 고전계강도구조의 외면은 금속 원자를 포함하고, 이 고전계강도구조 표면의 금속 원자는 전계강도 우위를 이용하여 동일한 환경속에서 기체 분자와 더욱 용이하게 반응 산물을 형성하는 바, 고전계강도구조에서 방출 사이트를 우선적으로 형성한다. 다른 구체적인 실시예에서, 적어도 하나의 팁은, 기판과, 반응 활성이 상기 기판의 기타 부위보다 큰 상기 기판 상의 하나 또는 복수의 활성 영역을 포함하며, 적어도 하나의 상기 활성 영역의 외면은 금속 원자를 포함하고, 이 활성 영역의 표면의 금속 원자는 활성 우위를 이용하여 동일한 환경속에서 기체 분자와 더욱 용이하게 반응 산물을 형성하여, 활성 영역에서 방출 사이트를 우선적으로 형성한다. 다른 구체적인 실시예에서, 적어도 하나의 팁은, 기판과, 전계강도가 상기 기판의 기타 부위보다 높은 상기 기판 상의 하나 또는 복수의 고전계강도구조를 포함하고, 상기 고전계강도구조의 적어도 일부 표면은 반응 활성이 큰 활성 영역이며, 상기 활성 영역의 외면은 금속 원자를 포함하고, 이 활성 영역의 표면의 금속 원자는 전계강도 우위와 활성 우위를 이용하여 동일한 환경속에서 기체 분자와 더욱 용이하게 반응 산물을 형성하여, 활성 영역에서 방출 사이트를 우선적으로 형성한다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 전기장은 상기 팁에 정 바이어스(positive bias), 부 바이어스(negative bias) 또는 정 바이어스와 부 바이어스의 결합을 인가하여 생성되는 전기장이고, 정 바이어스를 인가할 경우, 전기장의 전계강도는 1~50V/nm이고, 부 바이어스를 인가할 경우, 전기장의 전계강도는 1~30V/nm이다. 이로써 팁 표면의 원자가 증발되는 것을 피할 수 있고, 방출 사이트의 형성 과정에서 과전류로 인해 팁이 번 아웃되는 것을 피할 수도 있다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 고전계강도구조는 돌기를 포함한다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 돌기의 사이즈는 서브 나노미터 내지 100 나노미터의 크기이다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 돌기는, 열처리, 전기장의 인가, 열-전기장 처리, 식각 또는 나노미터 가공 중의 어느 하나 또는 복수의 방법을 통하여 형성되거나, 또는 예를 들면, 단결정 금속 팁의 상면에 금속 원자를 한층 도포하고, 열처리를 통하여 돌기를 재형성하는 방법을 통하여 형성된다.

본 개시의 실시예에 따르면, 돌기를 포함하는 팁에 있어서, 진공 조건 하에서의 기체 분자와의 반응에서, 상기 돌기의 적어도 일부 표면의 금속 원자는 상기 기판의 기타 표면 부분과 동일하거나 더 큰 반응 활성을 가진다. 다시 말하면, 돌기 표면의 적어도 일부 영역(예를 들면, 지정된 영역)에는 반응 활성이 기타 영역보다 상대적으로 큰 금속 원자가 존재한다. 돌기를 포함하지 않는 팁에 있어서, 진공 조건 하에서의 기체 분자와의 반응에서, 상기 기판의 활성 영역 표면의 금속 원자는 상기 기판의 기타 표면 부분에 비하여 더욱 높은 반응 활성을 가진다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 기판은 도전 재료로 구성되고, 또는, 상기 고전계강도구조는 도전 재료로 구성되고, 또는, 상기 기판 및/또는 고전계강도구조의 표면은 금속 원자이고, 또는, 상기 고전계강도구조와 기판의 재료는 동일하거나 상이하며, 또는, 상기 기판 및/또는 고전계강도구조 표면의 금속 원자와 고전계강도구조의 재료는 동일하거나 상이하며, 상이한 경우, 상기 기판 및/또는 고전계강도구조 표면의 금속 원자는 증착 또는 전기 도금 등 방식을 통하여 형성되고, 또는, 상기 기판 및/또는 고전계강도구조 표면의 금속 원자와 기판의 재료는 동일하거나 상이하며, 상이한 경우, 상기 기판 및/또는 고전계강도구조 표면의 금속 원자는 증착 또는 전기 도금 등 방식을 통하여 형성된다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 기체 분자는, 도입된 기체 분자 및/또는 진공속에 잔류된 기체 분자이고, 상기 기체 분자는, 질소 원소를 함유하는 기체 분자, 탄소 원소를 함유하는 기체 분자 또는 산소 원소를 함유하는 기체 분자 중의 어느 하나 또는 복수의 기체 분자와, 수소 원소를 함유하는 기체 분자를 포함한다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 수소 원소를 함유하는 기체 분자는, 수소 기체를 포함한다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 방출 사이트의 소멸 온도는 상기 기판, 상기 고전계강도구조 및 상기 금속 원자의 소멸 온도 중의 작은 값보다 낮고, 상기 전자 소스의 동작 온도보다 높거나; 또는, 상기 방출 사이트의 소멸 온도는 상기 기판, 상기 고전계강도구조 및 상기 금속 원자의 소멸 온도 중의 작은 값보다 낮고, 상기 전자 소스의 동작 온도 및 어느 한 팁에 흡착된 기체 분자의 탈착 온도 중의 큰 값보다 크다. 이로써 가열처리를 통하여 탈착, 복원(repair) 등을 행하기 쉬우며, 동작 수명을 연장시킬 수 있다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 기판은 도전 재료로 구성되고 녹는점이 1000K보다 높으며; 및/또는; 상기 고전계강도구조는 도전 재료로 구성되고 녹는점이 1000K보다 높으며; 및/또는; 상기 기판 및/또는 고전계강도구조 표면의 금속 원자는 녹는점이 1000K보다 높은 금속 재료이고, 상기 금속 원자와 기체 분자의 반응 산물은, 진공 조건 하에서 녹는점이 1000K보다 높은 금속 원자와 기체 분자의 반응 산물을 포함한다. 팁은, 녹는점이 1000K보다 높은 도전 재료를 사용하는 것이 바람직한 바, 이로써 안정성이 더욱 양호해 지고, 상술한 바와 같은 열처리 등 방법을 이용하여 팁을 청결하기 편리하다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 금속 재료는, 텅스텐, 이리듐, 탄탈럼, 몰리브덴, 니오븀, 하프늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 티타늄, 레늄, 팔라듐, 백금, 로듐, 오스뮴, 백금, 루테늄, 금 또는 금속 헥사보라이드 등 녹는점이 1000K보다 높은 금속 재료 중의 어느 하나 또는 복수를 포함한다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 금속 재료는 텅스텐이고, 상기 방출 사이트는 수소-텅스텐 화합물이다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 팁의 기판 및/또는 고전계강도구조의 사이즈와 형상을 조절하여 전자빔의 빔앵글의 크기를 조절하고, 또는, 고전계강도구조의 사이즈를 조절하여 방출 사이트의 양을 조절하고, 또는, 기판의 구조 및/또는 고전계강도구조의 구성을 조절하여 전자 소스가 전류를 방출하는 전압의 크기 또는 일치성을 조절하며, 또는, 팁 정상(top) 부분의 형상을 조절하여 방출 전류의 방향을 조절한다. 여기서, 추출전압은 -0.5KV보다 낮을 수 있는바, 예를 들면, -0.4KV이다.

본 개시의 실시예에 따르면, 고전계강도구조 또는 반응 활성이 큰 영역은, 상기 기판 표면의 중심에 위치하고, 또는, 고전계강도구조는 사이즈가 소정의 문턱값보다 큰 기판에 위치하고, 또는, 상기 금속 원자는 상기 고전계강도구조의 정상 단부 또는 상기 기판 표면의 중심에 위치한다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 팁의 동작 조건은, 팁 온도 ≤ 1000K인 경우, 동작 압력 세기 ≤ 10^-3Pa이고, 또는, 500K ≤ 팁 온도 ≤ 800K인 경우, 동작 압력 세기 ≤ 10^-6Pa이고, 또는, 팁 온도 ≤ 150K인 경우, 동작 압력 세기 ≤ 10^-6Pa이다. 방출 사이트의 형성 및 동작 온도가 비교적 낮으므로, 전자 소스의 구조가 변하지 않고, 동작 시 전자 소스의 구조가 변하지 않기에, 인가되는 전압값이 변하지 않는다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 방출 사이트의 사이즈는 나노미터 크기 또는 서브 나노미터 크기이다. 다시 말하면, 방출 사이트의 사이즈 ≤ 돌기의 사이즈일 수 있으며, 동작전압을 조절하여 팁 방출 사이트의 방출 전류값이 10mA 크기에 도달하도록 한다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 전자 소스는 냉음극 전계 방출 특징을 가지며, 추출전압을 조절하여 방출 전류의 크기를 조절한다.

본 개시의 다른 일 측면에서는 전자총을 제공하는데, 상기 전자총은, 전자를 방출하기 위한 상술한 바와 같은 전자 소스, 가열 장치, 냉각 장치 및 가스 도입 장치를 포함하고, 상기 냉각 장치는 상기 전자 소스를 방열시키기 위한 것이고, 상기 전자 소스는 전기절연성 열전도체를 통하여 상기 냉각 장치에 고정되고, 가열 장치는 상기 전자 소스를 가열하여 온도를 조절하기 위한 것이고; 상기 가스 도입 장치는 수소 원소를 포함하는 기체를 도입하기 위한 것이다. 방출 사이트의 형성 및 동작 온도가 비교적 낮으므로, 동작 시 전자 소스의 구조가 변하지 않고, 인가되는 전압값이 변하지 않는다. 또한, 전압값의 안정은 전자총의 설계가 더욱 콤팩트해지도록 한다.

본 개시의 실시예에 따르면, 상기 전자 소스는 아래의 조작을 통하여 적어도 하나의 방출 사이트를 제거할 수도 있다. 다시 말하면, 적어도 하나의 팁에 하나 또는 복수의 고정된 방출 사이트를 형성한 후, 전기장을 인가하여 기체 분자가 방출 사이트에 흡착되도록 하여, 방출 사이트의 방출 능력이 저하되거나 심지어 거의 소멸되게 함으로써, 적어도 하나의 방출 사이트를 제거한다.

이하 첨부 도면을 참조하면서 본 개시의 실시예를 설명하기로 한다. 따라서, 본 개시의 상기 및 기타 목적, 특징 및 이점들이 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 종래 기술 중의 텅스텐(310) 단결정 팁의 전자 소스의 전형적인 전계 방출 동작을 예시적으로 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 전자 소스를 예시적으로 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 개시의 실시예에 따른 전자 소스의 제조와 사용 환경을 예시적으로 나타낸다.
도 4는 본 개시의 실시예에 따른 전자 소스의 제조 과정을 예시적으로 나타내는 모식도이다.
도 5a는 본 개시의 실시예에 따른 기판 상의 고전계강도구조를 예시적으로 나타내는 모식도이다.
도 5b는 본 개시의 실시예에 따른 고전계강도구조 표면의 금속 원자를 예시적으로 나타내는 모식도이다.
도 5c는 본 개시의 실시예에 따른 기판 상의 활성 영역을 예시적으로 나타내는 모식도이다.
도 5d는 본 개시의 실시예에 따른 고전계강도구조의 활성 영역을 예시적으로 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 개시의 실시예에 따른, 방출 사이트를 가지는 방출면적을 예시적으로 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 개시의 실시예에 따른 방출 사이트의 형성 과정을 예시적으로 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 개시의 다른 실시예에 따른 방출 사이트의 형성 과정을 예시적으로 나타내는 모식도이다.

이하 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 여기에서 설명하는 실시예는 예시적인 것일 뿐, 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 아래의 설명에 있어서, 본 개시의 실시예에 대한 이해를 돕기 위하여 많은 부분에 대해 특정적으로 설명하나, 하나 또는 복수의 실시예들은 이러한 특정적인 부분을 사용하지 않아도 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 아래의 설명에 있어서, 본 발명의 취지를 흐리지 않도록, 공지 구조, 기술에 대해서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.

여기에서 사용되는 용어들은 단지 구체적인 실시예를 설명하기 위한 것으로, 본 개시를 한정하기 위한 것은 아니다. 여기에서 사용하는 용어 “포함”, “구비” 등은 상기 특징, 단계, 조작 및/또는 부재의 존재를 의미하나, 하나 또는 복수의 기타 특징, 단계, 조작 또는 부재가 더 존재하는 것을 배제하는 것은 아니다.

여기에서 사용되는 모든 용어(기술 용어 및 학계 용어를 포함)들은 별도로 정의되지 않는 한 당업자들이 통상적으로 이해하는 의미를 가진다. 여기에서 사용되는 용어들은 본 명세서 전체에서 동일한 의미를 가지는 바, 이상적인 방식 또는 과도하게 틀에 박힌 방식으로 해석하지 말아야 한다.

“A, B 및 C 등 중의 적어도 하나”와 같은 표현을 사용하는 경우, 일반적으로 이 표현의 의미에 대한 당업자들의 통상적인 이해에 따라 해석하여야 한다(예를 들면, “A, B 및 C 중의 적어도 하나를 가지는 구조”는, A만 단독으로 가지는 구조, B만 단독으로 가지는 구조, C만 단독으로 가지는 구조, A와 B를 가지는 구조, A와 C를 가지는 구조, B와 C를 가지는 구조, 및/또는 A, B, C를 가지는 구조 등을 포함하나 이에 한정되지는 않는다). “A, B 또는 C 등 중의 적어도 하나”와 같은 표현을 사용하는 경우, 일반적으로 이 표현의 의미에 대한 당업자들의 통상적인 이해에 따라 해석하여야 한다(예를 들면, “A, B 또는 C 중의 적어도 하나를 가지는 구조”는, A만 단독으로 가지는 구조, B만 단독으로 가지는 구조, C만 단독으로 가지는 구조, A와 B를 가지는 구조, A와 C를 가지는 구조, B와 C를 가지는 구조, 및/또는 A, B, C를 가지는 구조 등을 포함하나 이에 한정되지는 않는다). 당업자들은 또한, 실제적으로 임의의 두 개 또는 복수의 선택 가능한 특징을 나타내는 역접 접속사 및/또는 표현들은, 명세서, 특허 청구의 범위 또는 첨부 도면을 막론하고 모두 상술한 특징 중의 하나, 상술한 특징 중의 어느 하나 또는 두 개를 포함하는 가능성을 명시한다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, “A 또는 B”는 “A” 또는 “B”, 또는 “A 및 B”를 포함할 가능성이 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다.

이하, 본 개시의 기술적 수단에 대한 이해를 돕기 위하여 우선 종래 기술의 전계 방출 동작을 설명하기로 한다.

도 1은 종래 기술의 텅스텐(310) 단결정 팁의 전자 소스의 전형적인 전계 방출 동작을 예시적으로 나타낸다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전자 소스, 예를 들면, 텅스텐(310) 단결정 팁의 전자 소스는, 사용 과정에서 아래와 같은 세 개의 단계를 거친다. 우선, 비교적 청결한 전자 소스는, 기체가 흡착됨에 따라 안정기(Stability)로 진입하고, 기체가 진일보로 흡착됨에 따라 전류 노이즈가 점차 나타나게 되어 불안정기(Instability)로 진입하며, 이로 인해 전자 소스의 안정성이 저하되기에, Flash처리(짧은 시간에 약 2000℃까지 가열)를 행하여 다시 안정 상태로 돌아간다. 제때에 처리하지 않을 경우, 표면에 점차적으로 오염물이 나타나게 되어, 방출 전류가 크게 파동되기 시작하며, 최종적으로는 번 아웃(burnout)을 초래하게 된다.

상술한 번 아웃에 관하여, 발명자들은 끊임없는 연구를 통하여 이는 이온 충격과 밀접하게 연관된다는 것을 발견하였다. 이는 전자가 방출된 후 주위의 기체 분자를 전리시키며, 나아가서 팁을 충격할 수 있기 때문이다. 또한, 팁 표면이 충격되어 복수의 돌기가 형성되고, 복수의 돌기가 각각 방출 사이트로 작용하여, 최종적으로 너무 많은 전류를 초래하여, 번 아웃을 초래하는 것이 일 가능성이다. 또한, 또 다른 매커니즘으로는, 팁 표면에 흡착된 기체 분자 또는 기체 분자와 기타 물질의 결합물이 전기장의 작용 하에 끊임없어 이동하여, 최종적으로 표면의 점결함(defect point, 예를 들면, 이온 충격으로 인하여 생성)들이 방출 사이트로서의 나노미터 크기 돌기로 집결되는데, 방출 사이트의 신속한 증대는 과전류를 초래하여 최종적으로 팁의 번 아웃을 초래하게 되는 것이다.

나아가서, 상술한 문제점들은 방출 전류가 비교적 큰 경우에 더욱 엄중하게 된다. 일반적으로 장시간동안 안정적으로 동작할 수 있는 총 방출 전류는 ~10μA이며, 그 이용률이 아주 낮다. 상술한 문제점들을 감안하여, 명도가 높은 전자 소스 분야에서 주도적 지위를 차지하는 것은 쇼트키식 전계 방출 전자 소스(Schottky thermal-field emission source)이다.

본질적으로, CFE에 있어서, 어떠한 재료도 기체 흡착과 이온 충격의 영향을 피할 수 없다. 하지만, 예를 들면, 큰 전류 하에서 동작하는 경우(>10μA), 전자는 여기되어 탈기되는데(특히 전자 충격은 전극의 생성을 초래함), 이는 진공도를 더욱 저하시켜, 팁의 방출 안정성이 많이 낮아지게 되어, 파동 범위가 극히 크며, 나아가서 장기적으로 안정적인 동작을 할 수 없게 된다. 따라서, 어떻게 하면 안정적이고, 비교적 큰 전계 방출 전류를 제공할 것인 지는, 줄곧 냉음극 전계 방출 전자 소스의 발전 과정에 있어서 가장 중요한 도전으로 부각되었다.

상술한 기체 흡착과 이온 충격의 영향을 피하기 위하여, 현재 전계 방출 전자 소스(일반적으로 금속 팁을 가르킴)는 초고 진공 하에서 만 동작할 수 있는데(<10^-8 Pa), 이는 CFE의 적용 범위를 크게 제한한다. 발명자들은 이에 대한 더욱 깊은 연구를 통하여, 아래의 특징들을 발견하였다. 진공속에 잔류하는 기체 성분에는 H₂, CO, CO₂가 있는데, 그 중 주요 성분은 H₂이다. H₂의 흡착은 청결한 표면의 방출 능력이 점차적으로 차해지도록 한다. 이 진공속에서, H₂의 영향은 팁의 전계 방출 성능을 근본적으로 결정한다고 볼 수 있다. 따라서, 어떤 수단으로 H₂의 영향을 대비할 것인지는, 안정도가 높은 팁을 실현하는 관건이다. 종래의 기술에도 기체 흡착 문제를 완화할 수 있는 일부 기술 수단이 존재하는 바, 예를 들면, 캐비티의 진공도를 진일보로 향상시켜 1×10^-9Pa 크기까지 도달하게 하는 기술이 있다. Keigo Kasuya 등은, W(310)면이 늘 비교적 청결한 방출 상태에 있도록 하여, 그 사용 시간을 연장하고 높은 방출 능력을 얻는 기술(mild flashings at 700℃)을 발명하였다. 이 특허의 기술 수단은 현재 Hitachi의 전자현미경 제품에 널리 응용되고 있다.

또한, 일부 팁 표면의 유리(遊離) 상태의 입자를 직접 방출 사이트로 사용하는 기술 수단도 있는데, 이도 시험 중인 해결 방식이다. 이런 유리상태의 물질은, 비교적 낮은 진공도 하에서 긴 시간 놓아두어 형성된 오염물일 수 있으며, 전기장의 작용하에 팁의 어느 한 곳까지 이동할 수 있다. 이러한 방출 사이트의 방출각은 아주 작고(~5^o), 추출전압이 극히 낮으며, 명도는 종래 W(310)의 10배 이상까지 도달할 수 있다. 비록 비교적 큰 방출 전류(일반적으로 ~10 nA까지 안정적으로 출력 가능)를 형성할 수는 없지만, 아주 양호한 안정성(<1×10^-7 Pa)을 나타낸다. 가능한 추론으로는, 극히 작은 빔앵글(beam angle)과 방출면적은 이온 충격의 영향을 효과적으로 저하시킬 수 있다는 것이다. 하지만, 상술한 바와 같이, 이러한 유리 상태의 물질은 고정적인 것이 아닌 바, 전류가 비교적 클 경우(>1uA), 이런 전자 소스는 쉽게 번 아웃되며, 또한 동작 과정에서, 이러한 물질이 끊임없이 나타나게 되어, 점차적으로 그 방출 상태를 변화시켜, 긴 시간 유지하기가 아주 어렵다는 것을 발견하였다. 또한, 대기속에 노출되는 경우, 이런 물질의 사이즈는 기체 분자와 유사하게 보여질 수 있으므로, 극히 쉽게 기체의 간섭을 받을 수 있다는 것도 문제가 된다.

이상의 여러 가지 분석, 추리 및 실험에 기초하여, 발명자들은 본 개시를 통하여 장기간의 안정적인 동작을 실현할 수 있어, 비교적 큰 전계 방출 전류를 제공할 수 있으며, 비교적 낮은 진공도 하에서도 동작할 수 있고, 대기속에 노출되는 경우에도 기체의 간섭을 쉽게 받지 않는 전자 소스를 제공한다.

본 개시의 실시예에서는 전자 소스를 제공한다. 이 전자 소스는 하나 또는 복수의 팁을 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 팁은 하나 또는 복수의 고정된 방출 사이트를 포함하고, 상기 방출 사이트는 팁 표면의 금속 원자와 기체 분자에 의해 형성된 반응 산물을 포함한다. 팁 표면의 금속 원자는 팁 표면에 고정되므로, 이 금속 원자와 기체 분자가 형성하는 반응 산물은 팁 표면에 심어지는 반응 산물이다. 또한, 이 반응 산물은 금속 원자와 기체 분자가 동작 조건과 유사한 조건하에서 반응하여 형성된 반응 산물로, 기체 분자와 다시 반응하는 성질이 활발하지 않기에, 안정성이 비교적 높다. 또한, 반응 산물의 양을 제어할 수 있으므로, 반응 산물의 양을 증가시켜 비교적 큰 전계 방출 전류를 제공할 수 있다. 또한, 반응 산물은 금속 원자와 기체 분자가 반응하여 형성된 것이므로, 설령 대기 속에 노출되더라도 기체의 간섭을 쉽게 받지 않는다.

도 2는 본 개시의 실시예에 따른 전자 소스를 예시적으로 나타내는 모식도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 이 전자 소스는 하나 또는 복수의 팁을 포함할 수 있는데, 설명의 편의를 위하여, 아래의 설명에서는 하나의 팁을 예로 한다.

팁은 팁 표면에 고정된 하나 또는 복수의 방출 사이트를 포함할 수 있는데, 이 방출 사이트는 팁 표면에 위치한 금속 원자와 기체 분자에 의해 형성된 반응 산물일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 전기장을 인가함으로써 팁 표면의 금속 원자와 기체 분자가 반응 산물을 형성하도록 하는 것은, 구체적으로 여러 가지 실현 방식을 사용할 수 있는바, 예를 들면, 직접 팁에 전압을 인가하여 팁 표면에서 비교적 높은 전계강도를 형성함으로써 팁 표면의 금속 원자와 기체 분자가 반응하도록 촉진하여 반응 산물을 형성할 수도 있고; 팁 부근의 전계강도 형성 구조(예를 들면, 전극 등)에 전압을 인가하여 전기장을 형성하며, 나아가서 팁 표면에 비교적 높은 전계강도를 형성함으로써, 팁 표면의 금속 원자와 기체 분자가 반응하여 반응 산물을 형성하도록 할 수도 있다. 종합하면, 팁 표면에 형성되는 전계, 및 그 전계의 형성 방식에 대하여 한정하지 않는 바, 다만 팁 표면에서, 팁 표면의 금속 원자와 그 주위의 기체 분자가 반응하여 반응 산물을 형성하도록 촉진할 수 있는 필드(예를 들면, 전기장)를 형성하기만 하면 된다.

팁에 전압을 인가함으로써 전계를 형성하는 실시예에 있어서, 예시적인 예에서, 상기 전기장은 상기 팁에 정 바이어스, 부 바이어스 또는 정 바이어스와 부 바이어스의 결합을 인가하여 생성된 전기장으로, 정 바이어스를 인가할 경우, 전기장의 전계강도는 1~50V/nm 이고, 부 바이어스를 인가할 경우, 전기장의 전계강도는 1~30V/nm 이다.

상기 방출 사이트는 팁의 소정 위치에 형성될 수 있는바, 예를 들면, 축 선과 팁 표면이 사귀는 부분의 일정 범위 내에 형성될 수도 있고, 특정 구조 상에 형성될 수도 있다. 예를 들면, 돌기 등은 전계강도 우위를 가지기에, 금속 원자와 기체 분자의 반응 산물을 우선적으로 형성하는 구조이다. 또한, 반응 활성을 가지는 특정 영역에 형성될 수도 있는바, 예를 들면, 기체 분자와 더욱 용이하게 반응하는 특정 금속 원자를 가지는 영역에 형성될 수도 있다. 물론, 상술한 두 가지 경우를 조합하여 사용할 수도 있는바, 여기서는 이에 대해 한정하지 않는다.

여기서, 상기 금속 원자는 팁 본체 표면의 금속 원자일 수도 있는바, 다시 말하면 금속 원자의 종류와 팁 본체의 종류가 동일할 수 있다. 또한, 증착(evaporation), 전기 도금(electroplating) 등 방법을 이용하여 팁 표면에 형성된 상이한 종류의 금속 원자일 수도 있다. 이 금속 원자의 재료는 녹는점이 1000K보다 높은 금속 재료로, 안정성이 더욱 양호하며, 상술한 바와 같은 열처리 등 방법을 이용하여 편리하게 팁을 청결하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 녹는점이 1000K보다 높은 금속 재료는, 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 탄탈럼(Ta), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 크롬(Cr), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 금(Au) 또는 금속 헥사보라이드 (metal-hexaboride) 등 중의 하나 또는 복수를 포함할 수 있다. 예를 들면, 여기서 어느 한가지 금속 원자를 단독으로 팁 표면의 금속 원자로 포함하거나, 이중의 몇가지 금속 원자로 형성된 적층, 예를 들면, 티타늄층\백금층\텅스텐층으로 형성된 적층 등을 포함하거나, 이중의 몇 가지 금속 원자를 혼합하여 형성한 비 단일형질(non-monoplasmatic)의 금속층을 포함할 수 있으나, 이에 대해 한정하지 않는다.

상기 기체 분자는 가스 도입 장치에 의하여 도입될 수 있다. 예를 들면, 가스 밸브(gas flow valve) 등을 통하여 도입된 특정의 기체 분자일 수도 있고, 챔버를 진공으로 만들었을 시 잔류된 기체 분자 등일 수도 있다. 물론 상술한 두가지 방식의 결합일 수도 있는바, 여기서는 이에 대해 한정하지 않는다. 여기서, 상기 기체 분자는, 질소 원소를 함유하는 기체 분자, 탄소 원소를 함유하는 기체 분자 또는 산소 원소를 함유하는 기체 분자 중의 어느 하나 또는 복수와, 수소 원소를 함유하는 기체 분자를 포함한다. 상술한 기체 분자는 도입된 기체 분자일 수 있으므로, 가스의 도입량은 동적으로 조절될 수 있다. 일반적으로 도입 시, 진공도는 10^-4Pa보다 작다. 진공 챔버 중의 잔여 가스를 직접 이용할 시, 진공 챔버 중의 주요 잔류 가스는 수소 기체이다. 바람직하게, 상기 수소 원소를 함유하는 기체 분자는, 수소 기체를 포함한다.

또한, 방출 사이트가 소멸되는 온도, 예를 들면, 분해되는 온도는, 방출 사이트를 제거하도록 팁 본체가 소멸되는 온도보다 낮을 수 있으며, 방출 사이트의 소멸 온도는 동작 온도 및 흡착된 기체 분자가 탈착되는 온도보다 높을 수 있다. 이로써 간단한 열처리를 통하여 탈착(예를 들면, Flash 등 열처리)을 행함으로써 전자 소스가 쉽게 안정 상태로 회복되도록 한다.

본 개시에서 제공하는 전자 소스는 그 구조 특징으로 인하여, 방출 사이트의 추출전압이 낮고, 방출 사이트가 고정적인 것으로 유리 상태에 있지 않으므로, 비교적 긴 수명을 가지고, 비교적 열악한 진공도 하에서도 동작할 수 있다. 방출 사이트의 형성 및 동작 온도가 비교적 낮으므로, 동작 시 전자 소스의 구조가 변하지 않고, 인가되는 전압값이 안정적으로 변하지 않으며, 예를 들면, 팁 온도≤1000K인 경우 동작의 압력 세기≤10^-3Pa거나, 500K≤팁 온도≤800K인 경우 동작의 압력 세기≤10^-6Pa거나, 팁 온도≤150K인 경우 동작의 압력 세기≤10^-6Pa 등과 같은 동작 조건 하에서 동작할 수 있다. 상기 방출 사이트의 사이즈는 나노미터 크기 또는 서브 나노미터 크기이고, 동작전압을 조절하여 팁 방출 사이트의 방출 전류값이 10mA 크기에 도달하도록 할 수 있다. 이 전자 소스는 냉음극 전계 방출 특징을 가지며, 추출전압을 조절하여 방출 전류의 크기를 조절할 수 있다. 일 바람직한 실시예에서, 상기 금속 재료는 텅스텐이고, 이와 대응되게 상기 방출 사이트는 수소-텅스텐 화합물이다.

도 3은 본 개시의 실시예에 따른 전자 소스의 제조와 사용 환경을 예시적으로 나타낸다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제조 및 사용 장치는, 진공 챔버(111), 냉각 헤드(107)(이 냉각 헤드(107)는 가열 장치를 포함, 가열 장치는 미도시), 샘플 홀더(sample holder)(105), 전자 소스(101), 고압 전원(115), 입자 빔(113), 형광판 어셈블리(103) 및 가스 도입 장치(109)를 포함할 수 있다. 여기서, 우측 도면은 좌측 도면의 점선 프레임의 확대도로서, 샘플 홀더(105)는, 전자 소스(101)를 고정하기 위한 헤어핀(120)을 포함할 수 있으며, 우측 도면 상측의 전원은 팁을 가열하는 전원이다. 이로써, 전자 소스(101)에 대한 가열 및/또는 전압인가를 실현할 수 있고, 진공 챔버의 기체를 제어할 수도 있으며, 형광판 어셈블리(103)를 이용하여 전자 소스가 전자를 방출하는 상황을 관찰할 수 있다.

도 4는 본 개시의 실시예에 따른 전자 소스의 제조 과정을 나타내는 모식도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 우측 도면은 좌측 도면 상측의 점선 프레임 중의 이미지의 확대도이고, 좌측 도면의 하측의 점선 프레임은 예시적인 기판이다. 좌측 도면으로부터 알 수 있듯이, 전자 소스에 바이어스를 인가하면, 팁 상단 부분의 전계강도가 가장 강하므로, 주위의 기체 분자(좌측 도면 중의 회색의 작은 점들)는 점차적으로 팁의 정상 단부로 이동하게 된다. 우측 도면에 도시된 바와 같이, 기체 분자가 전자 소스의 팁 상단까지 이동함에 따라, 팁 부분에는 기체 분자와 팁 표면의 금속 원자(흰색의 작은 점들)가 반응 산물(흑색의 점들, 즉 방출 사이트이다. 이하 “Ma1”라 약칭)을 형성하도록 필드(예를 들면, 전기장 등)가 형성되는데, 흑색의 작은 점들은 팁 표면에 유리 상태로 존재하는 것이 아니라 팁 표면에 심어진다.

도 5a는 본 개시의 실시예에 따른 기판 상의 고전계강도의 구조를 나타내는 모식도이다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 팁은, 기판과, 전계강도가 상기 기판의 기타 부위의 전계강도보다 높은 상기 기판 상의 하나 또는 복수의 고전계강도구조를 포함하며, 여기서, 적어도 하나의 상기 고전계강도구조의 외면은 금속 원자를 포함한다. 돌기는 1개, 3개, 5개, 10개 등일 수 있는바, 여기서는 이에 대해 한정하지 않는다.

상기 고전계강도구조의 재료는 기판과 동일하거나 상이할 수 있다. 또한, 상기 기판 및/또는 고전계강도구조 표면의 금속 원자는 고전계강도구조의 재료와 동일하거나 상이하며, 상이한 경우, 상기 기판 및/또는 고전계강도구조 표면의 금속 원자는 증착 또는 전기 도금 등 방식을 통하여 형성될 수 있는바, 여기서는 이에 대해 한정하지 않는다. 또한, 상기 기판 및/또는 고전계강도구조 표면의 금속 원자는 기판의 재료와 동일하거나 상이할 수 있으며, 상이한 경우, 상기 기판 및/또는 고전계강도구조 표면의 금속 원자는 증착 또는 전기 도금 등 방식을 통하여 형성될 수 있는바, 여기서는 이에 대해 한정하지 않는다. 또한, 상기 기판의 재료, 상기 고전계강도구조의 재료와 상기 팁 본체의 재료는 동일하거나 상이할 수 있는바, 여기서는 이에 대해 한정하지 않는다. 이와 대응되게, 진공 조건 하에서의 기체 분자와의 반응에 있어서, 상기 돌기의 적어도 일부 표면의 금속 원자는 상기 기판의 기타 표면 부분과 동일하거나 더욱 높은 반응 활성을 가진다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 고전계강도구조는, Lo1 위치와 대응되는 돌기를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 돌기의 사이즈는 서브 나노미터 내지 100 나노미터 크기일 수 있다. 돌기 부분은 전계강도가 높은 우위를 가지므로, 팁에 전압을 인가할 시, 전계강도의 작용 하에, 돌기 표면의 적어도 일부 금속 원자는 기체 분자와 반응 산물을 형성한다. 이로써 간단하고 빠르게 팁 표면의 소정 위치에 방출 사이트를 형성할 수 있다. 또한, 돌기의 사이즈, 인가되는 바이어스의 크기 및 시간 등 파라미터를 조절함으로써, 돌기 표면의 방출 사이트의 양을 조절할 수 있는바, 예를 들면, 바이어스를 인가하는 시간을 증가하거나 또는 돌기의 사이즈를 크게 하여 더욱 많은 방출 사이트를 형성하므로써 방출 전류를 증가시킬 수 있다.

상기 돌기는, 열처리, 전기장의 인가, 열-전기장 처리, 식각 또는 나노미터 가공 등 중의 어느 하나 또는 복수의 방법을 통하여 형성되거나, 단결정 금속 팁의 상면에 금속 원자의 층을 도포하고 열처리를 하여 돌기를 재형성(reshaping)하는 방법을 통하여 형성될 수 있다. 또한, 팁 표면에 돌기를 형성할 수 있는 방법이라면 모두 사용될 수 있는바, 여기서는 이에 대해 한정하지 않는다.

선택 가능하게, 상기 기판은 도전 재료로 형성되고 녹는점이 1000K보다 높으며, 상기 고전계강도구조는 도전 재료로 형성되고 녹는점이 1000K보다 높으며, 상기 기판 및/또는 고전계강도구조 표면의 금속 원자는 녹는점이 1000K보다 높은 금속 재료이다. 상기 금속 원자와 기체 분자의 반응 산물은, 진공 조건 하에서 녹는점이 1000K보다 높은 금속 원자와 기체 분자의 반응 산물을 포함한다.

녹는점이 1000K보다 높은 재료의 예시적인 예는 상술한 바와 같은 바, 여기서는 더 이상 설명하지 않는다. 팁은, 녹는점이 1000K보다 높은 도전 재료를 사용하는 것이 바람직한 바, 이로써 안정성이 더욱 양호하고, 상술한 바와 같은 열처리 등 방법을 이용하여 팁의 청결 또는 팁의 회복을 편리하게 실현할 수 있다.

도 5b는 본 개시의 실시예에 따른 고전계강도구조 표면의 금속 원자를 예시적으로 나타내는 모식도이다.

강조해야 할 것은, 상기 기판, 상기 고전계강도구조와 상기 팁 본체의 재료는 모두 금속 재료일 수 있거나, 금속 재료가 아닐 수 있다(예를 들면, 도전 재료라는 점만 만족). 또한, 전자 소스가 고전계강도구조를 포함하지 않을 경우, 상기 기판의 표면이 금속 원자를 포함하고, 상기 기판이 전류를 도입할 수만 있으면 된다. 또한, 전자 소스가 고전계강도구조를 포함하는 경우, 상기 고전계강도구조의 표면이 금속 원자를 포함하고, 상기 고전계강도구조가 전류를 도입할 수만 있으면 된다.

바람직한 실시예에서, 고전계강도구조는 상기 기판 표면의 중심에 위치하거나; 사이즈가 소정의 문턱값보다 큰 기판 상, 예를 들면, 비교적 큰 기판 상에 위치하거나; 상기 금속 원자가 상기 고전계강도구조의 정상 단부의 표면 중심에 위치한다.

또한, 상기 팁의 기판 및/또는 고전계강도구조의 사이즈와 형상을 조절하여 전자빔의 빔앵글의 크기를 조절할 수도 있고, 고전계강도구조의 사이즈를 조절하여 방출 사이트의 양을 조절할 수도 있으며, 기판의 구조 및/또는 고전계강도구조의 구성을 조절하여 전자 소스가 전류를 방출하도록 하는 전압의 크기 및 일치성을 조절할 수도 있으며, 또한 팁의 정상 부분의 형상을 조절하여 방출 전류의 방향을 조절할 수도 있다. 예를 들면, 기판의 사이즈를 증가시키면, 빔앵글이 감소하고; 전계 증발(field evaporation)을 이용하여 돌기의 높이를 저하시키면, 빔앵글이 감소하며; 돌기의 사이즈가 작을 수록, 동일한 전기장 하에서의 방출 사이트의 양이 더욱 적다.

본 개시에서 제공하는 전자 소스에 있어서, 적어도 하나의 팁은, 기판과, 전계강도가 상기 기판의 기타 부위의 전계강도보다 높은 상기 기판 상의 하나 또는 복수의 고전계강도구조를 포함하며, 여기서, 적어도 하나의 상기 고전계강도구조의 외면은 금속 원자를 포함하고, 상기 고전계강도구조 표면의 금속 원자는 전계강도 우위를 이용하여 동일한 환경에서 기체 분자와 더욱 용이하게 반응 산물을 형성하여, 고전계강도구조에서 방출 사이트를 우선적으로 형성한다.

도 5c는 본 개시의 실시예에 따른 기판 상의 활성 영역을 예시적으로 나타내는 모식도이다.

도 5c에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 팁은, 기판과, 반응 활성이 상기 기판의 기타 부위보다 큰 상기 기판 상의 하나 또는 복수의 활성 영역을 포함하며, 이 활성 영역은 Lo2위치와 대응되고, 여기서, 적어도 하나의 상기 활성 영역의 외면은 금속 원자를 포함한다. 활성 영역은 도 5c에 도시된 음영 영역과 같다. 활성 영역은 1개, 3개, 5개, 10개 등일 수 있는바, 여기서는 이에 대해 한정하지 않으며, 방출 사이트는 팁의 정상 부분의 활성 영역에 우선적으로 형성될 수 있다.

또한, 기판의 재료와 상기 팁 본체의 재료는 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 활성 영역의 금속 원자는 증착 또는 전기 도금 등 방식을 통하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 전기 도금을 통하여 팁의 축선과 표면이 사귀는 위치에 일정한 면적의 금속 원자층을 형성하는데, 이 금속 원자층은 기판의 기타 표면의 재료와 기체 분자에 비하여 더욱 높은 반응 활성을 가진다. 이와 대응되게, 진공 조건 하에서의 기체 분자와의 반응에 있어서, 상기 기판의 활성 영역 표면의 금속 원자는 상기 기판의 기타 표면 부분에 비하여 더욱 높은 반응 활성을 가진다.

바람직한 실시예에서, 반응 활성이 큰 영역은 상기 기판 표면의 중심에 위치하거나, 상기 금속 원자는 상기 기판 표면의 중심에 위치한다.

본 개시에서 제공하는 전자 소스에 있어서, 적어도 하나의 팁은, 기판과, 반응 활성이 상기 기판의 기타 부위보다 큰 상기 기판 상의 하나 또는 복수의 활성 영역을 포함하며, 여기서, 적어도 하나의 상기 활성 영역의 외면은 금속 원자를 포함하고, 이 활성 영역의 표면의 금속 원자는 활성 우위를 이용하여 동일한 환경에서 기체 분자와 더욱 용이하게 반응 산물을 형성하여, 활성 영역에서 방출 사이트를 우선적으로 형성한다.

도 5d는 본 개시의 실시예에 따른 고전계강도구조 상의 활성 영역을 예시적으로 나타내는 모식도이다.

도 5d에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 팁은, 기판과, 전계강도가 상기 기판의 기타 부위의 전계강도보다 높은 상기 기판 상의 하나 또는 복수의 고전계강도구조를 포함하고, 상기 고전계강도구조의 적어도 일부 표면은 반응 활성이 큰 활성 영역으로, Lo3 위치에 대응되는데, 여기서, 상기 활성 영역의 외면은 금속 원자를 포함한다.

본 실시예에서, 돌기를 포함하는 팁에 있어서, 진공 조건 하에서 기체 분자와 반응할 시, 상기 돌기의 적어도 일부 표면의 금속 원자는 상기 기판의 기타 표면과 동일하거나 더욱 높은 반응 활성을 가지는데, 이로써 더욱 정확하게 방출 사이트가 돌기의 지정된 영역 상에 형성되도록 제어할 수 있다. 예를 들면, 도 5d의 돌기 상의 음영 영역에 방출 사이트를 형성한다. 활성 영역 표면의 금속 원자의 형성 방식은 상술한 실시예에서 활성 영역을 형성하는 방식을 참조할 수 있는바, 여기서는 더 이상의 상세한 설명을 하지 않는다.

본 개시에서 제공하는 전자 소스에 있어서, 적어도 하나의 팁은, 기판과, 전계강도가 상기 기판의 기타 부위의 전계강도보다 높은 상기 기판 상의 하나 또는 복수의 고전계강도구조를 포함하고, 상기 고전계강도구조의 적어도 일부 표면은 반응 활성이 큰 활성 영역이며, 여기서, 상기 활성 영역의 외면은 금속 원자를 포함하고, 이 활성 영역 표면의 금속 원자는 전계강도 및 활성의 우위를 이용하여 동일한 환경에서 기체 분자와 더욱 용이하게 반응 산물을 형성하여, 활성 영역에서 방출 사이트를 우선적으로 형성한다.

도 6은 본 개시의 실시예에 따른 방출 사이트를 가지는 방출면적을 예시적으로 나타내는 모식도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 돌기를 가지는 팁을 예로 하여 설명한다. 돌기 전체의 표면에 모두 방출 사이트를 형성하는 경우, 방출 사이트의 평면도는 도 6의 우측 도면의 도시를 참고할 수 있다. 여기서, 돌기 표면에 방출 사이트를 형성의 과정에서, 전계강도가 높은 영역일 수록 방출 사이트를 먼저 형성할 확률이 크지만, 방출 사이트는 반드시 전계강도가 가장 높은 영역에만 형성되는 것은 아니다. 물론, 도 6에 도시된 바와 같은 돌기의 정점 위치는 전계강도가 가장 강하므로, 정점 부위에 방출 사이트를 먼저 형성하는 확률도 가장 크다. 도 6에서 돌기의 형상은 반구형과 유사한 형상인데, 이 외에도, 돌기의 형상은 구형, 다각형, 사다리꼴, 반 타원형 및 기타 기하적 구조 등일 수도 있는바, 여기서는 이에 대해 한정하지 않는다.

또한, 상기 방출 사이트의 소멸 온도는, 상기 기판, 상기 고전계강도구조 및 상기 금속 원자의 소멸 온도 중의 작은 값보다 낮고, 상기 전자 소스의 동작 온도보다 높다. 또는, 상기 방출 사이트의 소멸 온도는, 상기 기판, 상기 고전계강도구조 및 상기 금속 원자의 소멸 온도 중의 작은 값보다 낮고, 상기 전자 소스의 동작 온도 및 어느 한 팁에 흡착된 기체 분자의 탈착 온도 중의 큰 값보다 크다. 상기 방출 사이트의 소멸 온도가 어느 한 팁에 흡착된 기체 분자의 탈착 온도보다 높을 경우, 가열을 통하여 기체 분자가 탈착되도록 하고, 간단한 처리를 통하여 전자 소스의 안정성을 편리하게 향상시킬 수 있다.

전자 소스의 테스트 환경은 도 3의 도시를 참고할 수 있는바, 진공 챔버(111)의 본체의 진공도≤10^-3Pa이다(일반적으로 10^-6Pa보다 양호하여야 한다). 냉각 헤드 cold head(107) 상에는 절연된 샘플 홀더(sample holder)(105)가 하나 설치되어 있는데, sample holder 상에 가열 장치(예를 들면, 가열판, 가열봉 등)를 설치할 수 있고, 온도는 10~500K 사이에서 조절될 수 있다. 예비처리가 끝난 팁(예를 들면, 텅스텐 단결정 팁, 이 텅스텐 단결정 팁은 돌기를 가지는 팁으로, 돌기의 사이즈는 나노미터 또는 서브 나노미터 크기일 수 있으며, 비교적 큰 반응 활성을 가지는 영역의 팁일 수도 있다)을 샘플 홀더(105)에 놓고, 이 팁에 전압을 인가하는데, 전압은 높은 양전압(V_P)일 수도 있고, 높은 음전압(V_N)일 수도 있다. 전원(115)은 이중출력 고압 전원으로, 출력 범위가 ±0~30kv일 수 있다. 가스 도입 장치(109)는 H₂와 같은 반응 기체 분자를 도입하기 위한 것으로, 반응 기체 분자는, 예를 들면 H원소를 함유하는 기체, 물, CH₄ 등과 같은 기타 반응 기체일 수도 있다. 기체의 통과량은 동적으로 조절될 수 있는데, 일반적으로 도입 시 진공도<10^-4Pa(챔버 내의 잔여 기체 분자를 직접 이용할 수도 있으며, 그 주요 성분은 수소 기체)이다. 형광판 어셈블리(103)는 입자 빔 이미지를 광 이미지로 전환시키기 위한 것으로, 신호가 아주 미약한 경우, 형광판-다중 채널 판 어셈블리를 사용하여 신호를 증폭시킬 수 있다. 팁에 전압을 인가할 경우, 입자 빔을 인출시킬 수 있는데, 인가된 전압은 양전압일 수도 있고, 음전압일 수도 있으며; 인가하는 전압이 양전압인 경우, 이미징 가스가 존재할 때, 양이온 빔을 출력하고; 인가하는 전압이 음전압인 경우, 전자빔을 출력한다.

아래, 구체적인 실시예로 전자 소스의 제조 과정을 예시한다.

도 7은 본 개시의 실시예에 따른 방출 사이트의 형성 과정을 예시적으로 나타내는 모식도이다.

강 전기장의 작용 하에서의 기체 분자와 표면 금속 원자의 반응을 통하여 방출 사이트(Ma1)를 형성하는데, Ma1의 형성은 일정한 온도 하에서 완성된다. 방출 사이트의 형성 과정은, 팁 표면의 작은 영역 내에서의 수소 가스의 흡착 동작에 대한 깊은 연구를 토대로 확정된 제조 방법이다.

우선, 텅스텐 단결정(111)의 팁을 제공할 수 있는데, 상술한 바와 같은 방법을 실시하여 팁 상에 돌기를 형성하는바, 예를 들면, Flash처리(1200K까지 가열하여 3s동안 지속하며, 이 기간에 바이어스 등을 인가할 수도 있다)를 실시하여, 팁 표면의 중간 위치에 나노미터 크기의 돌기를 형성할 수 있는데, 그 표면은 청결하다. 도 7a를 참조하면, 팁에 음전압을 -2KV까지 인가하는 경우, 전계 방출 모드(field electron emission mode)를 형성한다. 이온 충격으로 인한 영향을 피하기 위하여, 방출 사이트(Ma1)의 형성 온도는 ~50K이다. 방출 사이트를 형성하는 전체 과정에서, 방출 전류(I_E)는 늘 5nA 이내로 제어되고, 진공도는 10^-7Pa이다.

도 7b 내지 도 7e에 도시된 바와 같이, 기체의 흡착은 우선 방출 능력의 하강을 초래하고, 형광판 어셈블리(103)의 표시면 상의 방출 패턴(emission pattern)은 점차적으로 어두워지며, 방출 전류는 점차적으로 낮아지는 바, 종래의 텅스텐 청결 표면의 방출 능력이 점차적으로 하강된다.

도 7f에 도시된 바와 같이, 시간이 흐름에 따라, 방출 패턴이 거의 완전히 소실될 때, 종래의 텅스텐 청결 표면의 방출 능력은 거의 전부 없어진다.

도 7g에 도시된 바와 같이, 전자 소스에 지속적으로 바이어스를 인가함에 따라, 본 개시의 방출 사이트가 형성되기 시작하는데, 이 때 방출 사이트와 그 전의 방출 물질의 구성이 상이하다. 텅스텐을 예로 설명하면, 그 전의 방출 물질은 텅스텐 단결정의 텅스텐 원자이고, 이 때의 방출 사이트는 팁 표면의 텅스텐 원자와 기체 분자, 예를 들면, 텅스텐 원자와 수소 기체 분자의 반응 산물로, 이 반응 산물은 팁 표면에 고정된다.

도 7h 내지 도 7k에 도시된 바와 같이, 전자 소스에 지속적으로 바이어스를 인가하거나 기다림에 따라, 최종적으로 이 방출 사이트는 더욱 밝아진다.

도 7l에 도시된 바와 같이, 최종적으로, 방출 능력이 높은 방출 사이트를 형성하고, 방출 전류는 더욱 커진다. 도 7a와 도 7l에 대한 비교를 통하여 명확하게 알 수 있듯이, 방출 사이트의 방출 능력이 크게 향상되고, 방출 사이트가 중간 돌기의 위치에 더욱 집중되어 있다.

상술한 과정에서, 전류가 늘 작게 제어되고, 형광판과 팁이 멀리 이격되어 있으며, 또한 진공도가 아주 양호하여, 이온 충격의 영향을 배제할 수 있다. 또한, 높은 양전압을 인가하면 동일한 전계 방출 특성을 가지는 물질을 형성할 수 있다. 이 때 방출 전류는 전혀 존재하지 않는데, 이는, 이온 충격으로 인한 유리 원자 레벨의 입자 물질이 방출 사이트(Ma1)의 형성 과정에 참여하지 않았다는 것을 설명한다.

방출 사이트(Ma1)의 형성 과정에 있어서, 기체(예를 들면, H₂)는 흡착된 후, 전기장 하에서 유리되며, 진일보로 표면 금속 원자와 결합되어, 일종의 H-W 반응 산물(compound, 화합물)을 형성하는데, 이는 방출 사이트(Ma1)의 일 종에 속하며, 이러한 compound는 직접 표면과 결합되어, 이동하지 않는다. 예를 들면, 기타 위치에도 유사한 물질을 형성할 수 있으나, 이런 물질들은 이동하지 않고, 늘 위치가 안정적인 방출 사이트를 형성한다.

방출 능력과 관련된 파라미터에서, 단일 방출 사이트의 방출 능력은 30uA 이상에 도달할 수 있으며, 밀집된 방출 영역을 형성한다면, 방출 패턴은 하나로 연결되어, 총 전류가 100uA 크기에 달할 수 있다. 방출면적을 증가(방출 사이트의 양을 증가)시키면, 10mA 크기의 방출 전류를 실현할 수 있는데, 이는 종래의 CFE의 안정적인 방출 능력(~10μA)을 크게 초과한다. 최근 Keigo Kasuya 등은 캐비티의 진공도를 4×10^-10Pa까지 향상시킴으로써 극한 방출 전류를 약 3000μA까지 도달하게 할 수 있다는 것을 발견하였으나, 이런 진공도는 실현하기 아주 어렵다.

상이한 진공도 하에서는 상이한 방출 능력을 가진다. 일반적으로, 진공도가 높으면 방출 전류가 큰 값을 유지할 수 있고, 진공도가 낮으면 최대 방출 전류가 신속하게 감쇠될 수 있다.

도 8은 본 개시의 다른 실시예에 따른 방출 사이트의 형성 과정을 예시적으로 나타내는 모식도이다. 도면에서부터 보아낼 수 있듯이, 형성된 방출 영역은 작고 집중적이다.

형성된 방출 사이트의 팁(The tip terminated by emission site)은 전계 방출 일치성을 가진다. 다시 말하면, 방출 전류의 전압은 일치성을 가지는바, 예를 들면, 방출 전류가 1μA일 때, 전압은 -1.2±0.1 KV이다.

방출 사이트의 형성 및 동작 시 온도가 비교적 낮으므로, 동작 시 전자 소스의 구조가 변하지 않고, 인가되는 전압값이 변하지 않으며, 전압값의 안정은 예를 들면 전자총의 설계가 더욱 콤팩트해지도록 한다.

또한, 기판의 구조 및/또는 고전계강도구조를 조절하여 전자 소스가 전류를 방출하는 전압의 크기와 일치성을 조절하는 바, 예를 들면 전계 식각(field etching), 전계 증발(field evaporation) 등 방법을 이용하여 형성된 팁의 돌기 상에 방출 사이트를 형성하며, 방출 전류가 1μA일 때, 전압은 -0.5 KV보다 낮을 수 있으며(예를 들면 추출전압은 -0.4KV), 이로써 전자총 구조의 설계가 더욱 콤팩트해지도록 한다.

이하, 상술한 방법을 통하여 제조된 전자 소스의 구조 및 성능 파라미터 등에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

(1) 방출 사이트의 물질에 관하여

본 발명의 전자 소스는 양호한 안정성을 가지며, 방출 사이트(도 4 중의 우측 도면의 검은 색 원의 도시를 참조)는 팁 표면의 특정 위치에 안정적으로 심어질 수 있고, 복수의 방출 사이트는 최대로 mA 크기의 총 전류를 제공할 수 있으며, 비교적 열악한 진공도 조건(10^-5Pa)하에서 동작할 수 있고, 보존하기 쉽다.

돌기를 가지는 전자 소스를 예로 설명하기로 한다.

팁 tip: 팁은, 기판 Base, 및 기판 Base 상의 나노미터 크기의 돌기 protrusion를 포함하고, 돌기의 사이즈는 나노미터 또는 서브 나노미터의 크기이다. 돌기 표면에 방출 사이트를 형성한다.

방출 사이트(Ma1)의 형성 과정은 아래에 도시된 바와 같은 바, 강 전기장 하에서(예를 들면, 1~50V/nm 범위 내, 전기장은 전압 극성 및 재료 속성의 영향을 받는다), 기체 분자가 직접 팁 표면의 금속 원자와 결합물(Gas-metal compound)을 형성하는데, 아래 H-W compound를 예로 설명한다. 비교적 높은 진공 하에서, 주요한 잔류 기체 분자는 H₂이다. 돌기 표면의 전기장이 가장 강하므로, 우선 여기에 형성된다.

방출 사이트(Ma1)는 팁 표면에 심어지는 것으로, 기체 분자와 팁 표면의 금속 원자가 반응하여 형성되는 반응 산물로, 이런 방출 사이트의 위치는 모두 고정된 것으로 이동하지 않는다. 하지만 상이한 방출 전류 하에서 단일 방출 사이트(Ma1)는 깜빡거릴 수 있다.

방출 사이트(Ma1)는 표면 보호 작용을 가진다. 방출 사이트(Ma1)는 금속의 가장 표면의 원자와 기체 분자가 반응하여 형성된 것, 다시 말하면 반응 생성물이므로, 공간내의 기체 분자와 계속하여 작용하기 어렵게 한다. 예를 들면, 흡착 등이 어려워진다. 기체가 흡착되더라도, 이들은 계속하여 팁 표면의 방출 사이트(Ma1)에 영향을 주기 어려워, 화학 반응이 인차 발생한다. 저온 가열(<1000K) 등 수단을 이용하여 방출 사이트(Ma1) 상의 흡착된 기체를 효과적으로 탈착시킬 수 있으며, 방출 사이트(Ma1)의 존재를 유지할 수 있다. 가열된 부분은, 방출 사이트(Ma1)가 제거되어 금속 원자 부분이 노출되지만, 동작 과정에서(전기장(E)이 존재) 이 부분은 다시 방출 사이트(Ma1)를 형성할 수 있다. 따라서, 방출 사이트(Ma1)가 팁에 보호층을 형성한 것과 마찬가지므로, 기체와 팁이 강한 전계하에서 반응하는 것을 효과적으로 막을 수 있다. 기타 표면의, 방출 사이트(Ma1)가 형성되지 않은 부분에 있어서, 그 부분은 전기장이 아주 미약하고 방출 능력이 아주 약하므로, 비교를 무시한다. 이는 전자 소스의 동작 안정성과 안정 주기를 크게 향상시킨다.

동작 조건에 있어서, 방출 사이트(Ma1)는 아주 강한 환경 적응성을 가지는 바, 10^-5Pa의 진공 하에서 동작할 수 있다. 저온 조건까지 구비한다면, 이는 10^-3Pa의 진공 하에서 동작할 수 있다. 물론, 진공도가 높을 수록, 지속적으로 동작할 수 있는 시간이 길고; 방출 전류가 작을 수록, 지속적으로 동작할 수 있는 시간이 길다. 구체적인 수요, 예를 들면 사용될 진공 조건에 따라, 상이한 방출 전류 범위를 선택할 수 있다.

방출 능력이 종래의 CFE에 비해 크게 증가된 원인은 아래와 같은 두가지 매커니즘의 작용일 수 있다. 첫번째는, 일함수의 대폭적인 저하이다. 두번째는, 표면의 원자 크기의 방출 사이트의 뿔 형성이다. 상술한 두가지 요소가 공동으로 작용한 결과, 추출전압(V₀)이 대폭 저하되었다(저하 비율>~30%).

전계 방출 특징에 있어서, 방출 전류의 크기는 추출전압을 이용하여 직접 제어할 수 있고, 펄스 전류(펄스 전압), 정전류(정전압)의 출력을 실현할 수 있다.

방출면적에 관한 설명은 아래와 같다. 예를 들면, 돌기 상면의 방출 영역의 면적은, 팁 헤드부의 돌기의 지름을 조절하여 방출 면적을 제어 및 변화시킬 수 있다. 방출면적은 원자 크기까지 달할 수도 있고, 10nm 크기까지 달할 수도 있다. 활성 영역을 가지는 예에서, 활성 영역의 면적을 변화시켜 방출면적의 크기를 제어할 수 있다.

(2) 방출 사이트의 형성 위치에 관하여

방출 사이트(Ma1)가 형성되는 위치(Lo)는, 미리 선정을 통하여, 예를 들면, 아래와 같은 방법을 이용하여, 팁 표면에 전기장 우위 영역(Lo1)(도 5a를 참조하면, 예를 들면 나노미터 크기의 돌기)을 형성함으로써, 이 위치에서의 전기장이 팁의 기타 영역보다 강하도록 하거나; 팁 표면에 기체와의 반응에서 더욱 높은 활성(도 5c를 참조하면, 기타 영역에 비하여)을 가지는 활성 영역(Lo2)을 형성하거나; 어느 영역(Lo3)(도 5d를 참조)이 상술한 두가지 특징을 다 가지도록 한다. 여기서 돌기는 열처리, 열-전기장 처리, 식각, 나노미터 가공 등 수단을 이용하여 형성된 것일 수 있고; 활성 원자 영역은 각 종 원자의 증착 등 방식을 이용하여 형성될 수 있다.

방출면적의 크기도 상술한 수단을 이용하여 제어할 수 있는데, 그 척도는 나노미터 또는 원자 크기이다. 바람직하게, Lo1는 팁의 비교적 큰 기판 상에 위치한다.

전자빔의 빔앵글의 크기는 팁의 기판, 돌기의 사이즈를 제어하여 실현할 수 있다.

바람직하게, 이 팁은 중심에 돌기를 가지는 기하적 구조를 가진다. 바람직하게, 팁의 주위 영역의 전기장 강도는 팁의 표면 중심의 전기장 강도보다 약하다.

팁의 최표면의 적어도 한 층 또는 복수 층은 금속 원자(metal atom)로, 그 종류는 녹는점이 1000K보다 높은 각 종 금속 재료일 수 있다. 또한, 팁의 본체 재료는 금속일 수 도 있고, 금속 헥사보라이드(metal-hexaboride) 등 기타 도전 재료일 수도 있는바, 비교적 높은 녹는점(예를 들면, >1000K)을 가지는 것이 바람직하다.

(3) 제조 조건에 관하여

팁 조건: 돌기를 가지는 팁을 예로 하여, 상술한 물질을 형성하여야 할 팁 표면의 영역에 우선 나노미터 크기의 돌기를 형성하여, 팁에 바이어스(V_S)를 인가할 경우, 돌기 표면에 비교적 강한 표면 전기장(E_S)이 생성되도록 하는데, E_S는 그 주변의 전기장보다 강하다.

전기장 조건: 팁에 바이어스(V_S)를 인가할 경우, 팁 상 돌기의 표면 전기장은 E_S로, ~1V/nm 크기이다. E_S(또는 V_S)는 포지티브(positive)일 수 있는데, 그 강도는 팁 표면의 원자가 증발하지 않도록 확보하여야 하고; 또한, E_S(또는 V_S)는 +일 수도 있는데, 방출이 과전류에 의하여 팁을 태우지 않도록 확보하여야 한다.

기체 분자: 주요 성분은 H₂, 또는 H 원소를 함유하는 기체 분자이다. 외부의 기체 분자를 도입할 수도 있고, 진공 중의 잔여 기체 분자를 직접 이용할 수도 있다.

반응 과정: 기체 분자(또는 이온)는 팁 표면에 흡착되며, 강한 전계 조건하에서, 점차적으로 팁 표면의 원자와 반응하여, 최종적으로 안정적인 방출 사이트를 형성한다.

제조 과정의 온도 범위: 온도는 방출 사이트(Ma1)의 소멸 온도, 예를 들면 분해 온도보다 낮아야 한다. 관찰결과에 따르면, 1000K보다 낮아야 한다. 일 바람직한 실시예에서, 반응 온도는 저온이고 150K 이하이다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 동작 온도는 500~800K이다. 일반적으로, 이 온도는 팁의 표면 형상을 변화시키지 않도록 확보하여야 하는바, 예를 들면, 팁 정상 부분의 변형 온도보다 낮아야 한다.

형성된 방출 사이트의 제거 방식: 형성된 방출 사이트의 방출 능력이 열화(degrade)되면, 열화된 그 방출 사이트를 제거할 수 있다. 예를 들면, 전계 증발을 이용, 다시 말하면 높은 양전압을 인가하여 표면의 방출 사이트를 제거할 수 있다. 직접 1000K보다 높은 온도까지 가열하여 열화된 방출 사이트(Ma1)를 직접 제거할 수도 있다. 제거 후, 그 위치에 다시 방출 사이트(Ma1)를 형성할 수 있다.

본 개시에서 제공하는 전자 소스에 있어서, 이 전자 소스의 방출 사이트는, 팁 표면에 유리상태로 존재하는 기체 분자 또는 입자 등이 아니라, 팁 표면에 고정된, 금속 원자와 기체 분자에 의해 형성된 반응 산물이다. 따라서, 유리 상태의 방출 사이트가 한 곳에 집결되어 새로운 방출 사이트를 형성함으로 인한 과전류의 번 아웃을 초래하지 않으므로, 안정성을 효과적으로 향상시킨다. 또한, 이 방출 사이트는 반응 산물을 포함하는데, 금속 원자 또는 기타 금속 화합물(예를 들면, 금속 붕화물 등)에 비하여, 동작(기체 분자가 존재) 시 더욱 양호한 안정성을 가진다. 예를 들면, 동작 시, 수소 기체 등과 반응하기 더욱 어려워져, 전자 소스의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 전자 소스의 방출 사이트는 단일 금속 원자와 기체 분자에 의해 형성된 반응 산물일 수 있다. 다시 말하면, 방출 사이트는 하나 또는 복수의 원자로 만 구성되며, 낮은 일함수를 가지는 원자 크기의 전자 소스일 수 있다. 또한, 이 방출 사이트는 기체 분자와 팁 표면의 금속 원자에 의해 형성된 반응 산물로, 팁 표면에 심어진 것이므로, 이온 충격의 영향을 상대적으로 쉽게 받지 않으며, 환경속의 기체 영향도 쉽게 받지 않는다. 나아가서, 방출 사이트의 양을 증가하여 전계 방출 전류를 크게 할 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 개시에서 제공하는 전자 소스는 안정적이고, 비교적 큰 전계 방출 전류를 가지며, 비교적 열악한 진공도 하에서도 동작할 수 있고, 보존하기 쉬운 등 이점을 가진다.

본 개시의 다른 일 측면에서는 전자총을 제공하는데, 상기 전자총은, 상술한 바와 같은 전자 소스, 냉각 장치, 가열 장치 및 가스 도입 장치를 포함한다. 여기서, 상기 전자 소스는 전자를 방출하기 위한 것이고, 상기 냉각 장치는 상기 전자 소스를 냉각시키기 위한 것이며, 상기 전자 소스는 전기절연성 열전도체를 통하여 상기 냉각 장치에 고정되고, 상기 가열 장치는 상기 전자 소스의 온도를 조절하기 위한 것이며, 상기 가스 도입 장치는 수소 원소를 포함하는 가스를 도입시키기 위한 것이다. 이 전자총은, 전자 소스 표면의 방출 사이트의 형성 온도와 동작 온도가 비교적 낮으므로, 동작 시 전자 소스의 구조가 변하지 않고, 인가되는 전압값이 변하지 않으며, 전압값이 더욱 안정적으로 되어, 전자총의 설계가 더욱 콤팩트해지도록 한다.

당업자들은, 본 개시의 각 실시예 및/또는 특허 청구의 범위에 기재된 특징들은 본 개시에 명확하게 기재되지 않아도 여러 가지 방식으로 조합 및/또는 결합될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 특히, 본 개시의 사상과 취지를 이탈하지 않는 범위에서, 본 개시의 각 실시예 및/또는 특허 청구의 범위에 기재된 특징들은 여러 가지 방식으로 조합 및/또는 결합될 수 있다. 상술한 모든 조합 및/또는 결합도 본 개시의 범위에 포함된다.

이상 본 개시의 실시예를 설명하였으나, 상술한 실시예들은 설명을 위한 것일 뿐, 본 개시의 범위를 한정하기 위한 것은 아니다. 상술한 설명에서 각 실시예에 대하여 각각 설명하였으나, 이는 각 실시예의 특징들을 결합하여 사용할 수 없다는 것을 의미하는 것은 아니다. 본 개시의 범위는 첨부된 특허 청구의 범위 및 그 균둥물에 의하여 한정된다. 본 개시의 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서, 당업자들은 여러 가지 대체 및 수정을 가할 수 있으며, 이러한 대체 및 수정도 모두 본 개시의 범위 내에 포함된다.

Claims

하나 또는 복수의 팁을 포함하는 전자 소스에 있어서,
적어도 하나의 팁은, 하나 또는 복수의 상기 팁의 표면에 고정되어 심어진 방출 사이트를 포함하고, 상기 방출 사이트는 유리(遊離)된 것이 아니며, 상기 방출 사이트는 팁 표면의 금속 원자와 기체 분자가 전기장 분위기에서 형성된 반응 산물을 포함하는 전자 소스.
삭제
제1항에 있어서,
적어도 하나의 팁은, 기판과, 전계강도가 상기 기판의 기타 부위보다 높은 상기 기판 상의 하나 또는 복수의 고전계강도구조를 포함하며, 적어도 하나의 상기 고전계강도구조의 외면은 금속 원자를 포함하고, 및/또는
적어도 하나의 팁은, 기판과, 반응 활성이 상기 기판의 기타 부위보다 큰 상기 기판 상의 하나 또는 복수의 활성 영역을 포함하며, 적어도 하나의 상기 활성 영역의 외면은 금속 원자를 포함하고, 및/또는
적어도 하나의 팁은, 기판과, 전계강도가 상기 기판의 기타 부위보다 높은 상기 기판 상의 하나 또는 복수의 고전계강도구조를 포함하고, 상기 고전계강도구조의 적어도 일부 표면은 반응 활성이 큰 활성 영역이며, 상기 활성 영역의 외면은 금속 원자를 포함하는 전자 소스.
제1항에 있어서,
상기 전기장은 정 바이어스, 부 바이어스, 또는 정 바이어스와 부 바이어스의 결합을 인가하여 생성되는 전기장이고;
정 바이어스를 인가할 경우, 전계강도는 1~50V/nm이고;
부 바이어스를 인가할 경우, 전계강도는 1~30V/nm인 전자 소스.
제3항에 있어서,
상기 고전계강도구조는 돌기를 포함하는 전자 소스.
제5항에 있어서,
상기 돌기의 사이즈는 서브 나노미터 내지 100 나노미터 크기인 전자 소스.
제5항에 있어서,
상기 돌기는, 열처리, 전기장의 인가, 열-전기장 처리, 식각 또는 나노미터 가공 중의 어느 하나 또는 복수의 방법을 통하여 형성되는 전자 소스.
제5항에 있어서,
돌기를 포함하는 팁에 있어서, 진공 조건 하에서의 기체 분자와의 반응에서 상기 돌기의 적어도 일부 표면의 금속 원자는 상기 기판의 기타 표면 부분과 동일하거나 더욱 높은 반응 활성을 가지고,
돌기를 포함하지 않는 팁에 있어서, 진공 조건 하에서의 기체 분자와의 반응에서, 상기 기판의 활성 영역 표면의 금속 원자는 상기 기판의 기타 표면 부분에 비하여 더욱 높은 반응 활성을 가지는 전자 소스.
제3항에 있어서,
상기 기판은 도전 재료로 구성되는 것;
상기 고전계강도구조는 도전 재료로 구성되는 것;
상기 기판 및/또는 고전계강도구조의 표면은 금속 원자인 것;
상기 고전계강도구조와 기판의 재료는 동일하거나 상이한 것;
상기 기판 및/또는 고전계강도구조 표면의 금속 원자와 고전계강도구조의 재료는 동일하거나 상이하며, 상이한 경우, 상기 기판 및/또는 고전계강도구조 표면의 금속 원자는 증착 또는 전기 도금을 통하여 형성되는 것;
상기 기판 및 고전계강도구조 중 적어도 하나의 표면의 금속 원자와 기판의 재료는 동일하거나 상이하며, 상이한 경우, 상기 기판 및 고전계강도구조 중 적어도 하나의 표면의 금속 원자는 증착 또는 전기 도금을 통하여 형성되는 것; 중 적어도 하나를 특징으로 하는 전자 소스.
제1항에 있어서,
상기 기체 분자는, 도입된 기체 분자 및/또는 진공속에 잔류된 기체 분자이고,
상기 기체 분자는, 수소 원소를 함유하는 기체 분자를 포함하거나, 질소 원소를 함유하는 기체 분자, 탄소 원소를 함유하는 기체 분자 또는 산소 원소를 함유하는 기체 분자 중의 어느 하나 또는 복수의 기체 분자와, 수소 원소를 함유하는 기체 분자를 포함하는 전자 소스.
제10항에 있어서,
상기 수소 원소를 함유하는 기체 분자는, 수소 기체를 포함하는 전자 소스.
제9항에 있어서,
상기 기판은 도전 재료로 구성되고, 녹는점이 1000K보다 높은 것;
상기 고전계강도구조는 도전 재료로 구성되고, 녹는점이 1000K보다 높은 것;
상기 기판 및 고전계강도구조 중 적어도 하나의 표면의 금속 원자는 녹는점이 1000K보다 높은 금속 재료인 것; 중 적어도 하나를 특징으로 하고
상기 금속 원자와 기체 분자의 반응 산물은, 진공하에서 녹는점이 1000K보다 높은 금속 원자와 기체 분자의 반응 산물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전자 소스.
제12항에 있어서,
상기 금속 원자는, 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 레늄(Re), 하프늄(Hf), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 크롬(Cr), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 또는 금속 헥사보라이드 중의 어느 하나 또는 복수를 포함하는 전자 소스.
제13항에 있어서,
상기 금속 원자는 텅스텐이고; 및
상기 방출 사이트는 수소-텅스텐 화합물을 포함하는 전자 소스.
제3항에 있어서,
상기 팁의 기판 및 고전계강도구조 중 적어도 하나의 사이즈와 형상을 조절하여 전자빔의 빔앵글의 크기를 조절하는 것;
상기 고전계강도구조 및 활성 영역 중 적어도 하나의 사이즈를 조절하여 방출 사이트의 량을 조절하는 것;
상기 기판의 구조 및 고전계강도구조 중 적어도 하나의 구성을 조절하여 전자 소스가 전류를 방출하는 전압의 크기 또는 일치성을 조절하는 것;
상기 팁의 정상 부분의 형상을 조절하여 방출 전류의 방향을 조절하는 것; 중 적어도 하나를 특징으로 하는 전자 소스.
제15항에 있어서,
상기 고전계강도구조 또는 반응 활성이 큰 영역은 상기 기판 표면의 중심에 위치하는 것;
상기 고전계강도구조는 사이즈가 소정의 문턱값보다 큰 기판에 위치하는 것;
상기 금속 원자는 상기 고전계강도구조의 정상 단부 또는 상기 기판 표면의 중심에 위치하는 것; 중 적어도 하나를 특징으로 하는 전자 소스.
제1항에 있어서,
상기 팁의 동작 조건은,
팁 온도 ≤ 1000K인 경우, 동작의 압력 세기 ≤ 10^-3Pa이고; 또는
500K ≤ 팁 온도 ≤ 800K인 경우, 동작의 압력 세기 ≤ 10^-6Pa이며; 또는
팁 온도 ≤ 150K인 경우, 동작의 압력 세기 ≤ 10^-6Pa인 전자 소스.
제1항 및 제3항 내지 제17항 중 어느 한 항의 전자를 방출하기 위한 전자 소스;
상기 전자 소스를 냉각시키기 위한, 상기 전자 소스가 전기절연성 열전도체를 통하여 고정되는 냉각 장치;
상기 전자 소스의 온도를 조절하기 위한 가열 장치; 및
수소 원소를 포함하는 기체를 도입하기 위한 가스 도입 장치
를 포함하는 전자총.
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