TWI698898B - 電子源及電子裝置 - Google Patents

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Abstract

使一電子源形成於具有相對第一表面及第二表面之一矽基板上。將至少一場發射體製備於該矽基板之該第二表面上以增強電子之發射。使用使氧化及缺陷最小化之一程序來將一薄的連續硼層直接安置於該場發射體之輸出表面上以防止矽之氧化。該場發射體可呈現諸如稜錐及圓形晶鬚之各種形狀。可將一或若干選用閘極層放置於該場發射體尖端之高度處或放置成略低於該場發射體尖端之高度以達成對發射電流之快速準確控制及高發射電流。該場發射體可經p型摻雜且經組態以在一反向偏壓模式中操作或該場發射體可經n型摻雜。

Description

電子源及電子裝置 [相關申請案之交叉參考]
本申請案主張2015年8月14日申請且其美國申請序號為62/205,287之臨時專利申請案之優先權，該案之全文以引用的方式併入本文中。
本發明大體上係關於適合用於掃描式電子顯微鏡及用於審查及檢測樣本之系統中之電子源。特定言之，本發明係關於適合用於審查及檢測系統(其包含用於審查及/或檢測光罩、主光罩及半導體晶圓之系統)中之電子場發射體。
積體電路產業需要具有越來越高敏感度之檢測工具來偵測不斷變小之缺陷及其大小可為數十奈米(nm)或更小之粒子。此等檢測工具必須高速操作以在一短時段內檢測一光罩、主光罩或晶圓之大部分或甚至100%區域。例如，用於生產期間之檢測之檢測時間可為1小時或更少，或用於R&D或故障追查之檢測時間可為至多數小時。為快速地檢測，檢測工具使用大於所關注之缺陷或粒子之尺寸的像素或光點大小，且偵測由一缺陷或粒子引起之信號之僅一小變化。最常見地，在生產中使用操作UV光之檢測工具來執行高速檢測。可使用UV光或使用電子來執行R&D之檢測。
一旦已藉由高速檢測來發現一缺陷或粒子，則通常需要產生一 較高解析度影像及/或執行材料分析以判定該粒子或缺陷之起源或類型。此程序通常被稱為審查。通常使用一掃描式電子顯微鏡(SEM)來執行審查。通常需要用於半導體製造中之審查SEM來每天審查成千上萬個潛在缺陷或粒子，且每目標可至多審查數秒。
電子顯微鏡需要一電子源來產生朝向一樣本導引之一電子束。可將電子源分成兩大群組：熱離子源及場發射源。熱離子源係最常見之市售電子發射體，且通常由鎢或六硼化鑭(LaB6)製成。在熱離子發射中，當電子熱能之強度足以克服表面勢壘時，使電子自材料表面蒸發。熱離子發射體通常需要高溫(>1300 K)操作，且具有諸如低效電力消耗、寬能散度、短壽命、低電流密度及有限亮度之若干缺點。對更高效電子源之需求已推動肖特基(Schottky)發射體及諸如電子場發射體之冷電子源之研究及開發。
在肖特基發射體中，藉由歸因於一外加電場下之影像電荷效應之有效勢壘降低來增強熱離子發射。肖特基發射體通常由具有一尖端之一鎢絲製成，該尖端塗佈有展現一低功函數(約2.9eV)之一層氧化鋯(ZrOX)。熱輔助肖特基發射體需要在高溫(>1000 K)及高真空(~10-9mbar)處操作，且歸因於高操作溫度而具有比所要電子發射能散度寬之電子發射能散度。可期望具有比肖特基發射體低之能散度、比肖特基發射體高之亮度(輻射量)及比肖特基發射體高之電流密度之一電子源用於半導體晶圓及遮罩檢測、審查及微影，此係因為其將實現更快且更具成本效益之檢測、審查及微影。
冷電子源，特定言之，電子場發射體，已用於場發射顯示器、氣體離子化器、x射線源、電子束微影及電子顯微鏡以及其他應用中。場發射發生於外加電場之強度足以減小尖端-真空界面上之勢壘使得電子可在接近室溫之一溫度處穿透此勢壘(即，量子力學穿隧)時。一典型場發射體由具有一圓形閘極孔隙之一錐形發射體尖端組 成。在一外加電場下橫跨發射體陰極、閘極及陽極建立一電位差以導致尖端之表面處之高電場。電子穿透窄表面勢壘且朝向被施加比閘極大之一正電位之一陽極行進。可藉由福勒-諾德漢(Fowler-Nordheim)理論之一修改版本(其考量歸因於場發射體之場增強因數)來估計發射電流密度。
因為場發射體可接近室溫操作，所以其具有低於肖特基發射體及熱離子發射體之能散度，且可具有高於熱離子發射體之亮度及電子流。然而，在實際使用中，一場發射體之輸出電流係不穩定的，此係因為污染物易於粘著至發射體之尖端且升高其功函數，此會降低亮度及電流。需要週期性閃光(即，暫時地升高尖端溫度)來移除該等污染物。當使尖端閃光時，儀器無法操作。在半導體產業中，需要儀器在長期不中斷之情況下連續穩定地操作，因此，肖特基發射體通常優先用於冷場發射體。
早期努力集中於開發金屬場發射體。其中，Spindt型鉬場發射體可為最熟知金屬場發射體，此係因為鉬具有一低電阻率(在20℃時為53.4nΩ．m)及一高熔點(2896 K)。然而，金屬發射體存在諸如缺乏均勻性(歸因於金屬沈積技術)及更嚴重地，發射電流降級(主要歸因於氧化)之若干缺點。
隨著現代半導體製造技術之出現，已存在對半導體場發射體，特定言之，矽場發射體，之研究。單晶矽係對場發射體有吸引力之一材料。矽晶體可生長成具有極高純度及極少晶體缺陷。可藉由摻雜及/或施加一電壓來更改矽之導電性。更重要地，矽具有一完備技術基礎。
圖6中展示一典型先前技術矽場發射體之結構。一矽基板61摻雜有雜質且可經n型摻雜或p型摻雜。錐形發射體64形成於矽基板61上，其中一選用閘極層67附接至包含一或多個絕緣層之一介電層66。選用 閘極層67控制且引出發射電流。一第三電極(即，陽極(圖中未展示))面向閘極層67且與陰極間隔達約數百微米之一大距離。此係典型矽場發射體三極體組態。應注意，在若無閘極層67之情況下，場發射體可用作二極體。電子之量子穿隧發生於橫跨發射體結構而施加一偏壓電壓時。一大電場產生於發射體尖端之表面上，且電子自尖端發射。
即使矽場發射體近年來已展示前景，但其尚未商業化。使用矽來形成場發射體之一嚴重問題在於：矽極極易起反應，且即使在約10-10托之壓力下，亦可在幾小時內被污染。矽極易在其表面上形成一天然氧化物。即使在真空中，亦會最終形成一天然氧化物，此係因為存在於真空中之少量氧氣及水會與矽之表面反應。矽與二氧化矽之間之界面具有缺陷(歸因於懸空鍵)，其中一電子重組之可能性非常高。此外，即使氧化物非常薄，但二氧化矽之帶隙較大(約9eV)以產生比一電子必須克服來逃脫之功函數高之一額外勢壘。例如，一非常平滑矽表面上之天然氧化物通常為約2nm厚。在一些情形中，氧化亦可改變場發射體之形狀。此等上述問題可導致低亮度及電流以及發射穩定性不佳、缺乏可靠性、延展性及均勻性，且已妨礙矽場發射體之商業使用。
已擴展研究工作來尋找場發射體之表面處理及塗佈以針對較低接通電壓、較高發射電流密度、較低雜訊及改良穩定性來改良其效能。此等處理可包含：使用耐火金屬、矽化物、碳化物及鑽石等等來塗佈發射體尖端。然而，此等塗層材料通常受限於形成平滑且均勻塗層表面之製程，及/或通常受形成於塗層表面上之氧化層影響以產生一額外能量勢壘。由於此等原因，塗佈矽場發射體尚無法實際變成冷電子源。
因此，需要克服先前技術之部分或全部限制之一電子源。
在一第一實施例中，提供一種電子源。該電子源包括：一矽基板，其具有一頂面；至少一場發射體，其直接形成於該矽基板之該頂面上；及一硼層，其氣密地安置於該場發射體之至少一尖端上。該場發射體包括一稜錐或一圓形晶鬚。該硼層包括大於90%之硼。
該硼層可在該硼層與該矽基板之間之一界面附近包括小於10%氧氣。
該場發射體之該尖端可具有小於100nm之一橫向尺寸。該場發射體之該尖端可具有大於20nm之一橫向尺寸。該場發射體之該尖端可具有小於100nm之一直徑。
該電子源可在與該場發射體相距至少50μm之一距離處進一步包括相對於該場發射體而保持至少500V之一正電壓之一電極。該場發射體可經組態以在一反向偏壓模式中操作，其中一空乏層因一電場而產生於該場發射體之一表面處。
該電子源可在與該場發射體之一頂點相距2μm或更小之一距離處進一步包括相對於該場發射體而保持小於500V之一正電壓之一電極。該場發射體可經組態以在一反向偏壓模式中操作，其中一空乏層因一電場而產生於該場發射體之一發射體表面處。
該場發射體可依小於約1019cm-3之一摻雜位準來進行p型摻雜。
該場發射體可依小於約1014cm-3之一摻雜位準來進行p型摻雜。
該電子源可進一步包括照射該場發射體之一光源。該光源可包括一雷射二極體及一發光二極體之一者。該光源可經組態以維持來自該場發射體之一所要發射電流。
該場發射體可依約1016cm-3至約1019cm-3之間之一摻雜位準來進行n型摻雜。
該硼層可具有自2nm至6nm之一厚度。
該電子源可進一步包括：一介電層，其安置於該頂面上以鄰近 於該場發射體；及一導電閘極，其安置於該介電層上以與該基板對置。該介電層之厚度可近似等於或小於該場發射體之一高度。
該電子源可進一步包括配置成二維週期性圖案之複數個該等場發射體。該電子源可進一步包括：一介電層，其安置於該頂面上以包圍該複數個場發射體；及一導電閘極，其安置於該介電層上以與該基板對置。該介電層之厚度可近似等於或小於一場發射體之一高度。
在一第二實施例中，提供一種裝置。該裝置包括一電子源，其用於產生朝向一樣本及電子光學器件導引之一原電子束。該電子源包括：一矽基板，其具有一頂面；至少一場發射體，其直接形成於該矽基板之該頂面上；及一硼層，其安置於該場發射體上。該場發射體包括一稜錐及一圓形晶鬚。該硼層包括大於90%之硼。
該裝置可為一掃描式電子顯微鏡(SEM)，其中該等電子光學器件經組態以縮小該原電子束且將該原電子束聚焦至該樣本上。該裝置可進一步包括用於偵測來自該樣本之回散射電子及二次電子之至少一者之一偵測器。
該電子源可進一步包括：一介電層，其安置於該頂面上以鄰近於該場發射體；及一導電閘極，其安置於該介電層上以與該基板對置。該介電層之厚度可近似等於或小於該場發射體之一高度。
該電子源可進一步包括經組態以控制該原電子束之電流之一光源。
該裝置可為一電子束微影系統，其中該等電子光學器件經組態以縮小該原電子束且將該原電子束聚焦至目標上。該裝置可進一步包括用於調變該電子束之強度之一調變器。
該裝置可為一X射線源，其中該等電子光學器件經組態以將該原電子束導引至陽極。
61:矽基板
64:圓錐形發射體
66:介電層
67:閘極層
100:掃描式電子顯微鏡系統
101:場發射體陰極
102:引出及聚焦電極
105:偏轉器
107:聚光透鏡
109:偏轉器
110:末級透鏡
120:電極
121:二次電子偵測器
122a:回散射電子偵測器
122b:回散射電子偵測器
130:置物台
131:樣本
140:電子槍
141:上柱
142:下柱
150:原電子束
200a:電子源
200b:電子源
201:矽基板
203:輸出表面
204:場發射體
204b:場發射體
205:硼層
210:場發射體陰極
212:光源
214:光
300:電子源
306:介電層
307:閘極
400A:電子源
400B:電子源
401:矽基板
403:輸出表面
404:場發射體陣列(FEA)
405:硼層
406:介電層
407:閘極
410:場發射體陣列(FEA)陰極
500:能量圖
502:費米能級
503:價帶之最高能級
504:導帶之最低能級
505:真空能級
506:電位分佈
512:場發射體陰極表面/場發射體尖端表面位置
520:電子逃脫
522:導帶及價帶朝向尖端向下彎曲
523:電子收集於尖端中
Da:橫向尺寸
Db:橫向尺寸
T1:硼層之厚度
附圖中依舉例而非限制方式繪示本發明，其中：圖1繪示根據本發明之併入一電子源、電子光學器件、一回散射電子偵測器及二次電子偵測器之一實施例之一例示性SEM；圖2(A)及圖2(B)係繪示根據本發明之例示性實施例之呈二極體組態之電子源(其包含形成於一矽基板上之一塗佈有硼之矽場發射體)的側視橫截面圖；圖3係繪示根據本發明之一替代實施例之呈三極體組態之一電子源(其包含形成於一矽基板上之一塗佈有硼之矽場發射體、及一閘極層)的一側視橫截面圖；圖4(A)及圖4(B)係繪示根據本發明之替代實施例之呈二極體組態及三極體組態之多個電子束源(其包含形成於一矽基板上之一塗佈有硼之矽場發射體陣列)的側視橫截面圖；圖5係繪示根據本發明來形成之一電子源之矽基板內之例示性電子能級的一能量圖；及圖6係繪示包括一矽場發射體之一典型電子源的一側視橫截面圖。
儘管將依據某些實施例來描述本發明，但包含未提供本文中所闡明之全部益處及特徵之實施例之其他實施例亦在本發明之範疇內。可在不背離本發明之範疇情況下作出各種結構、邏輯、程序步驟及電子變化。相應地，僅藉由參考隨附申請專利範圍來界定本發明之範疇。
呈現下列描述來使一般技術者能夠製造及使用本發明，其如一特定應用及其要求之內文中所提供。如本文中所使用，方向術語(諸如「頂部」、「底部」、「在…上方」、「在…下方」、「上」、「向上」、「下」、「在…下面」及「向下」)意欲提供相對位置(為了描述)，且不 意欲指定一絕對參考系。熟悉技術者將明白較佳實施例之各種修改方案，且可將本文中所界定之一般原理應用於其他實施例。因此，本發明不意欲受限於所展示及所描述之特定實施例，而是應被給予與本文中所揭示之原理及新穎特徵一致之最廣範疇。
本發明係關於用於半導體檢測、度量及審查系統之電子源之一改良方案。在二極體組態中，電子源可包含一場發射體陰極及面向該陰極之一陽極。場發射體形成於一矽基板上且一(第一)硼層至少形成於該場發射體之輸出表面上。該矽基板可為具有約10nm至約100μm之範圍內之一厚度之基本上無缺陷單晶矽。可依產生一無針孔、連續、實質純硼層(其具有包含2nm至5nm之間之全部範圍及精確至0.1nm之值之2nm至5nm(例如，約2nm至約4nm)之範圍內之一厚度)之一方式使用一高溫沈積程序(例如，在約600℃與約800℃之間)來使硼層形成於清潔矽上。硼層藉由可靠且氣密地密封矽表面以防止其氧化來規避矽之氧化問題。應注意，若干原子百分比之氧氣(諸如小於10%或小於5%)可保留於硼層與矽之表面之間之界面處，但由於氣密密封，所以氧氣含量可能不會隨時間(諸如，在1年之一時間段內)明顯增加。氧與矽之此一低比率意謂：界面處不存在連續二氧化矽層，使得電子能夠容易地透過硼層而離開矽表面。可藉由標準CMOS製造技術來製造場發射體。二氧化矽或氮化矽可用作藉由PECVD來沈積之遮罩材料，且光微影可用於圖案化。乾式蝕刻(諸如RIE、ICP及ECR)、濕式蝕刻或乾式蝕刻及濕式蝕刻之一組合可用於形成可呈現諸如圓形晶鬚(具有圓形尖端之圓柱形支柱)、圓錐或稜錐之各種形狀之場發射體。場發射體藉由利用歸因於場發射體之場增強來規避矽之相對較高功函數。一第二電極(即，陽極)經定位成面向場發射體陰極。陽極通常尤其由諸如鎢、鉬及不鏽鋼之金屬製成。一高電壓源(通常為千伏級)用於產生場發射體與陽極之間之一外加電位差以在場 發射體之尖端附近產生一強電場來引起電子優先朝向發射體尖端移動。當使用場發射體與陽極之間之一高電位差(諸如約1kV或更高之一電壓)時，陽極較佳地應與場發射體相距約50μm。在一實施例中，將陽極放置成與發射體尖端相距至少50μm，陽極相對於場發射體具有至少500V之一正電壓。在一替代實施例中，將陽極放置成靠近發射體尖端(諸如，與發射體尖端相距約2μm或更小之一距離)，陽極相對於發射體具有小於500V之一正電位。將陽極放置成更靠近發射體尖端允許由一較小電壓產生一足夠強電場，其具有使由可縮短發射體之壽命之高能離子反轟擊發射體最小化之優點。然而，將陽極放置成更靠近發射體尖端需要陽極中之孔隙與發射體尖端更精確地對準。
場發射發生於外加電場之強度足以減小矽-真空界面上之勢壘使得電子可穿透此勢壘(即，量子力學穿隧)時。在一半導體中，當電子濃度取決於局部摻雜位準及電位時，場發射體可經組態以在反向偏壓模式中操作為一p-n二極體，其中一空乏層歸因於高電場而產生於發射體表面處。真空與一塗佈有硼之p型摻雜場發射體之間之界面可形成一p-n接面，其中真空被視為一n型介質。在此情況中，導帶及價帶將在表面處向下彎曲。若電場足以使導帶之最低能級低於費米(Fermi)能級，則發射體尖端之頂點處將存在大量電子且產生nA級至μA級之一電流。在一替代實施例中，可使電場保持一略微較低位準，使得導帶之最低能級恰好保持高於費米能級且產生微弱發射電流或不產生發射電流。在此實施例中，光可用於產生電子-電洞對。所產生之電子將被強烈吸引向尖端且諸多電子將作為一發射電流自尖端發射。在此實施例中，藉由控制入射至場發射體上或入射於場發射體附近之光位準來控制發射電流。在又一實施例中，矽晶圓之大部分可經n型摻雜使得大量電子可用於形成發射電流。可藉由福勒-諾德漢理論之一修改版本(其考量歸因於場發射體之場增強因數)來估計發射電流密度。 因此，藉由產生具有形成於單晶矽基板上之一硼層及一場發射體兩者之一電子發射體結構，本發明提供矽之有益品質(即，高純度/低缺陷材料、長電子重組時間及成熟矽基製程)，且實現場發射體之誘人特徵(即，小發射體大小、低電力消耗、高亮度、高電流密度、高速率及長發射體壽命)，同時避免先前阻止矽基場發射體結構之廣泛商業使用之消極態樣。
根據本發明之各種替代實施例，各種額外層及結構用於進一步增強所揭示之發射體結構之有益品質。在一些實施例中，將一或若干閘極層或控制電極放置於場發射體尖端之高度處或場發射體尖端之高度略低處以進一步增強發射體尖端處之電場且達成對發射電流之快速準確控制。閘極層通常形成於沈積於基板上之一或若干絕緣層之頂部上。若存在若干閘極層，則絕緣層係此等閘極層之間之間隔物。在其他實施例中，多個電子束源包括用於在存在一電場時發射電子之複數個揭示場發射體，其等經配置成安置於發射體表面上之二維週期性圖案(例如一場發射體陣列(FEA))。
根據本發明之實施例，將本文中所揭示之電子源併入至檢測、度量及審查掃描式電子顯微鏡(SEM)中。一SEM通常包含一電子源、電子光學器件及一偵測器。該等電子光學器件可經組態以縮小原電子束且將該原電子束聚焦至樣本上，且該偵測器可經組態以偵測來自樣本之回散射電子及二次電子之至少一者。該電子源產生朝向一樣本導引之一原電子束。所揭示之塗佈有硼之矽場發射體(呈二極體或三極體組態)及複數個揭示發射體可用作掃描式電子顯微鏡中之電子源。電子光學器件縮小原電子束且將該原電子束聚焦至樣本上。電子光學器件亦包含可使原電子束掃描樣本之整個區域之偏轉器。當原電子束照射樣本時，樣本自原電子束吸收諸多電子，但散射部分電子(回散射電子)。所吸收之能量引起二次電子與X射線及歐傑(Auger)電子一 起自樣本發射。二次電子由二次電子偵測器收集。回散射電子可由一回散射電子偵測器收集。
圖1繪示一例示性檢測、度量或審查掃描式電子顯微鏡系統100，其經組態以檢測或審查諸如一半導體晶圓、主光罩或光罩之一樣本131。SEM通常包含一電子源、電子光學器件及一偵測器。在圖1中，包括一電子槍(或電子源)140、一上柱141及一下柱142之一電子柱將一原電子束150聚焦且導引至樣本131。電子槍140可併入呈二極體或三極體組態之所揭示之塗佈有硼之矽場發射體。電子自一場發射體陰極101發射，且穿過引出及聚焦電極102(其可包含一陽極)，且形成具有一所要電子束能量及電子束電流(通常達nA級至μA級)之一原電子束150。電子槍140可進一步包括一磁透鏡(圖中未展示)。上柱141包含縮小原電子束150以在樣本131上產生一小光點之一或多個聚光透鏡107。可將一或多個偏轉器105放置於聚光透鏡107之兩側上。下柱142包含用於將原電子束150聚焦成樣本131上之一小光點之一末級透鏡110。下柱142亦包含與偏轉器105(若存在)一起工作以使原電子束掃描樣本131之整個區域之一或多個偏轉器109。將樣本131放置於一置物台130上以促進樣本131之不同區域在電子柱下方移動。當原電子束150擊中樣本131時，自樣本131發射二次電子及回散射電子。二次電子可由電極120收集及加速且被導引至二次電子偵測器121。回散射電子可由諸如122a及122b處所展示之回散射電子偵測器之一回散射電子偵測器偵測。
儘管已在一SEM中揭示電子源，但本文中所揭示之電子源亦可併入至(例如)一電子束微影系統或一X射線源中。該電子束微影系統可包含經組態以縮小原電子束且將原電子束聚焦至目標上之電子光學器件及用於調變電子束之強度之一調變器。該X射線源可包含經組態以將電子束導引至陽極之電子光學器件。
圖2(A)繪示根據本發明之一例示性實施例之一電子源200a之橫截面圖。電子源200a大體上包含一場發射體陰極210及面向陰極210之一陽極(圖中未展示)。陽極可與陰極210間隔達約1微米至數百微米之間之一距離。具有一面向上之輸出(頂部)表面203之一矽基板201係位於場發射體陰極210中，其中一場發射體204安置於輸出表面203上且一實質純硼連續層205安置於輸出表面203上以覆蓋場發射體204。此圖中所展示之場發射體204具有可藉由各向異性蝕刻來製成之一稜錐形狀，其可具有接近54.7°之一傾斜角，此係因為該角度對應於單晶矽中之(100)平面與(111)平面之相交角。當期望得到尖銳場發射體尖端時，可在沈積硼層205之前使用可在一中低溫度(低於約950℃)處執行之氧化削尖。具有原子級長度之尖狀化尖端之頂點可包括一實質上平坦區域，諸如實質上平行於矽晶體之一晶面(例如，實質上平行於一(100)平面)之一表面。在圖2(A)中，由Da指示尖狀區域之一特性橫向尺寸，諸如一直徑。在一較佳實施例中，Da可介於約1nm至約100nm之間。例如，Da可小於約100nm或小於約20nm。一第二電極(即，陽極(圖中未展示))經定位成面向場發射體陰極210。陽極可尤其由諸如鎢、鉬及不鏽鋼之金屬製成。一電壓源用於產生陰極與陽極之間之一外加電位差以引起電子優先朝向場發射體204之尖端移動。電子源200a類似於一典型冷電子源般操作，使得當將一強電場(諸如約100V μm-1至約10kV μm-1之間之一電場)施加於尖端時，電子具有自基板201發射穿過場發射體204之輸出表面203之一高度可能性，通常最可能自場發射體204之尖端附近發射穿過場發射體204之輸出表面203。如上文所解釋，尖端上之硼層205氣密地密封尖端以防止其氧化。為確保硼層205提供一良好氣密密封且不形成電子發射之一強勢壘，硼層205之厚度T1可介於約2nm至約6nm之間。即使若干百分比之氧氣保留於矽與硼之間之界面處，但不會有更多氧氣穿透且不會發 生明顯進一步氧化。由於電子發射發生自發射體之頂點附近之一小區域(諸如具有圖2(A)中所展示之一橫向尺寸Da之區域)，所以此區域中之硼層205之品質可為最重要的。與此發射區域相距超過數百nm之硼層205之覆蓋範圍中之若干針孔或間隙通常不會影響發射且可被容忍。
就一實質純硼層而言，該層之大部分係元素硼。諸如矽或碳之一些雜質可存在於表面上或晶格中。例如，矽化硼可存在於硼層205與基板201之間之界面處。氧氣可存在於層之大部分中，但其含量不易被偵測到。因此，層可包括硼，由硼組成，或基本上由硼組成。硼層205可包括大於75%、大於80%、大於85%、大於90%、大於95%、大於96%、大於97%、大於98%或大於99%之硼。
就一連續硼層而言，硼層205係輸出表面203之未破損橫跨部分。輸出表面可僅為場發射體204之表面或可為至少包含場發射體204之輸出表面203上之一較大區域。在一例項中，來自場發射體204之大部分電子發射可來自半徑為數十nm之一區域，且此半徑可由硼層205依一未破損方式覆蓋。
硼層205可為(例如)5nm厚或可為硼之20個至25個原子層。硼層205可具有一均勻厚度或可依不同於輸出表面203之剩餘部分之方式沈積於場發射體204上。
根據本發明之一態樣，矽基板201可包括單晶矽(即，矽之一單晶)，其依小於約1019cm-3之一摻雜位準(即，約0.005Ω．cm或更高之一電阻率)來進行p型摻雜。由於少數載子壽命及擴散長度隨摻雜物濃度增大而縮短，所以可在矽非常薄(諸如，薄於約1μm)時使用高於約1019cm-3之摻雜物濃度，而當矽厚於約1μm時，摻雜物濃度可較佳地低於約1019cm-3。對於厚於數微米(諸如10μm或更大之一厚度)之矽，摻雜物濃度可較佳地更低很多(諸如，小於約1014cm-3)以確保長 載子壽命及低暗電流。由於電子係p型摻雜矽中之一少數載子，所以使用p型矽之一實施例包含用於將光214照耀至場發射體上以在矽內產生電子-電洞對之一選用光源212。光源212較佳地包括諸如一雷射二極體或一高亮度LED之一高強度光源，其較佳地具有約20nm或更小之一頻寬。可將光源212放置於發射體204背後以使前側與發射體204對置以照射一背側(如圖中所展示)，或光源212可自與此背側對置之頂側照射發射體204。當將光源212放置於發射體204下方(如圖中所展示)時，光源212可發射相對較深地穿入至矽中之一光波長(諸如長於約500nm之一波長)以產生遠離矽之底面之電子-電洞對。當光源212自頂側照射場發射體204時，更淺地穿入至矽中之一較短波長(諸如短於約450nm之一波長)可較佳以產生相對較接近場發射體204之電子-電洞對。光源212可經組態以(諸如)藉由控制在光源中流動之電流來維持來自場發射體之一所要發射電流。
在一替代實施例中，矽可依約1016cm-3或更大之一摻雜物濃度來進行n型摻雜。例如，矽可依約1016cm-3與約1019cm-3之間之一摻雜物濃度來進行n型摻雜。經n型摻雜之矽具有可在導帶中獲得之諸多電子，其可被吸引向場發射體204之尖端以形成發射電流。當使用n型摻雜矽時，可藉由調整一閘極電極(諸如圖1中之引出及聚焦電極102內之一電極或圖3中之閘極307)上之一電壓或藉由調整陽極與場發射體之間之電壓差來控制發射電流。當使用n型摻雜矽時，可省略選用光源212。
根據本發明之另一態樣，場發射體204可呈現諸如圓形晶鬚、圓錐或稜錐之各種幾何外形。圖2(B)繪示包括一圓形晶鬚發射體204b之一電子源200b。圓形晶鬚或具有一約0°半角之圓錐提供比具有明顯大於0°之一半角之圓錐或稜錐高之一場增強。然而，圓形晶鬚係比一類似高度之圓錐或稜錐差之熱導體。因此，場增強與熱穩定性之間通常 存在一權衡。場發射體204b(或204)可自基板201之一表面延伸達小於10μm或小於20μm。除場發射體結構之形狀之外，電子源200b可類似於上文所描述之電子源200a之各種實施例般組態。可經類似組態之對應特徵標記有相同於圖2(A)之元件符號且不再加以詳細描述以避免不必要重複。具有原子級長度之圓形晶鬚204b之頂點可包括一實質上平坦區域，諸如實質上平行於矽晶體之一晶面(例如，實質上平行於一(100)平面)之一表面。在圖2(B)中，由Db指示尖狀區域之一特性橫向尺寸，諸如一直徑。在一較佳實施例中，Db可介於約1nm至約100nm之間。例如，Db可小於約100nm。類似於電子源200a，電子源200b可包括p型或n型摻雜矽且可包含一選用光源212。
根據本發明之另一態樣，可藉由標準CMOS製造技術來製造場發射體204。二氧化矽或氮化矽可用作一遮罩材料且藉由(例如)PECVD來沈積，且光微影可用於圖案化。乾式蝕刻(諸如RIE、ICP及ECR)、濕式蝕刻或乾式蝕刻及濕式蝕刻之一組合可用於形成場發射體。當期望得到尖銳場發射體尖端時，可在沈積硼層205之前使用通常在中低溫度(例如，低於約950℃)處執行之氧化削尖。
根據本發明之另一態樣，場發射體可經組態以在反向偏壓模式中操作為一p-n二極體，其中一空乏層歸因於高電場而產生發射體表面處。真空與一塗佈有硼之p型摻雜場發射體之間之界面可形成一p-n接面，其中真空被視為一n型介質。在此情況中，導帶及價帶將在表面處向下彎曲。若電場足以使導帶之最低能級低於費米能級，則發射體尖端之頂點處將存在大量電子且產生nA級至μA級之一電流。場發射發生於外加電場之強度足以減小矽-真空界面上之勢壘使得電子可穿透此勢壘(量子力學穿隧)時。可藉由福勒-諾德漢理論之一修改版本(其考量歸因於場發射體之場增強因數)來估計發射電流密度。
根據本發明之另一態樣，硼層205基本上包括直接安置於場發射 體之輸出表面上之純硼。如本文中所使用，結合硼與矽界面之片語「直接位於...上」意謂：除可形成於Si/B界面處之SiBx之一可能薄層(即，若干單分子層)之外，不存在連續介入層(例如氧化層或SiNx層)來使場發射體204或204b之輸出表面與硼層205分離。亦應注意，片語「直接位於...上」不排除硼及矽之一些部分之間存在少量氧化物。在一高溫處(即，在高於約500℃(諸如約600℃至約800℃之間)之一溫度處)使用已知技術來使硼層205生長於清潔矽上，使得硼至少在場發射體204上形成一無針孔塗層，其具有包含約2nm至約6nm之間之全部範圍及精確至0.1nm之值之約2nm至約6nm(諸如，約2nm至約4nm)之範圍內之一厚度T1。塗層之其他區段可包含場發射體204上之塗層外之針孔缺陷或塗層可完全無針孔。在一例項中，在場發射體204外使針孔缺陷之存在最小化。
在沈積硼之前，可藉由(例如)一濕式清潔，接著一原位熱氫清潔來自矽移除全部天然氧化物。亦可較低溫地沈積硼，但塗層會較不均勻，且需要厚於2nm之一塗層來確保其無針孔。硼層之一優點在於：此一無針孔塗層在被施加至一清潔矽表面時防止一天然氧化物形成於場發射體之輸出表面上。如先前所描述，二氧化矽層具有一高帶隙且甚至薄層可阻止大部分之電子離開矽。因此，硼層205甚至允許低能電子離開矽場發射體204及204b。形成於矽基板201之場發射體204及204b規避先前電子發射體之限制且尖銳發射體提供場增強及高發射電流。另外，先前矽裝置無法避免二氧化矽界面層形成於矽與低功函數材料之間，即使矽層在被塗佈時不含氧化物。即，若矽上無防滲透無針孔保護層，則氧氣將最終遷移至矽表面且形成氧化層。使用硼來形成層205之一優點在於：甚至一薄的無針孔硼層都能防止氧氣滲透且氣密地密封矽。由於大多數電子發射發生自場發射體之頂點附近之一小區域，所以僅需要在場發射體之頂點之數百nm內沒有針孔。足夠 遠離尖端(諸如，位於場發射體204或204b之側上)之硼塗層可具有低於尖端處之硼塗層之品質。硼塗層之另一優點在於：矽與硼之界面處之缺陷及界面陷阱之密度通常低於矽與二氧化矽之界面處之缺陷及界面陷阱之密度，其導致較高發射電流。
圖3繪示根據一第一替代實施例之一電子源300之橫截面圖。類似於上文圖2(A)及圖2(B)中所描述之結構，電子源300包含一場發射體陰極210及面向陰極210之一陽極(圖中未展示)。在場發射體陰極210中，存在：一矽基板201；一面向上之輸出(頂部)表面203，其中一場發射體204安置於輸出表面203上；及一實質純硼層205，其安置於輸出表面203上以覆蓋場發射體204。一第二電極(即，陽極(圖中未展示))經定位成面向場發射體陰極210。陽極可尤其由諸如鎢、鉬及不鏽鋼之一金屬製成。一電壓源用於產生陰極與陽極之間之一外加電位差以引起電子優先朝向發射體尖端移動。電子源300與先前所描述之實施例之不同點在於：其包含一閘極307或控制電極，閘極307位於場發射體尖端之高度接近處或場發射體尖端之高度略低處且藉由一介電層306來附接至場發射體以達成對發射電流之快速準確控制。因此，介電層306近似等於或小於場發射體之高度。較佳地，介電層306之厚度與場發射體之高度相差不超過約1μm。介電層306可包括一或多個介電材料，諸如SiO2或Si3N4。介電層306安置於矽之頂面上以包圍場發射體，但未必覆蓋場發射體。在另一例項中，介電層306部分覆蓋場發射體。可藉由標準CMOS製造技術(諸如，使用PVD、CVD或ALD沈積方法)來製造閘極307或介電層306。閘極307可包括一金屬或多晶矽。最簡單發射體設計係其中僅使用一個閘極307之三極體組態，但可使用其他組態。此閘極307通常形成於一介電層306之頂部上，介電層306包括沈積於基板201上之一或若干絕緣層。兩個或兩個以上閘極層(圖中未展示)可用於更複雜發射體設計中，其中多個介電 層用作此等閘極層之間之間隔物。應注意，電子源300不限於為稜錐形或圓錐形場發射體，而是可包括任何形狀場發射體，諸如圖2(B)中所繪示之圓形晶鬚狀場發射體204b或其他形狀。在圖3之實施例中，可對圖2(A)中之實施例作出改變或可使用不同於圖2(A)中之組態的組態。
儘管已將硼層205繪示為僅覆蓋場發射體204，但硼層205亦可在介電層306下方延伸。例如，可在形成介電層306之前使硼層205形成於基板201及場發射體204上。
圖4(A)及圖4(B)繪示根據本發明之其他替代實施例之揭示電子源之橫截面圖，其中額外層及結構用於進一步增強揭示電子源結構之有益品質。所繪示之例示性實施例不意欲具窮舉性，而是可理解為電子源包含下文將描述之額外層及結構之組合。圖4(A)及圖4(B)之實施例可類似於圖2(A)、圖2(B)或圖3之實施例之一陣列。因此，硼層405可類似於硼層205。應注意，電子源400A及400B不限於為稜錐形或圓錐形場發射體，而是可包括任何形狀場發射體，諸如圖2(B)中所繪示之圓形晶鬚狀場發射體204b或另一形狀。在圖4(A)或圖4(B)之實施例中，可對圖2(A)、圖2(B)或圖3中之實施例作出改變或可使用不同於圖2(A)、圖2(B)或圖3中之組態的組態。
圖4(A)繪示根據一第二替代實施例之一電子源400A之橫截面圖。電子源400A包含一場發射體陣列(FEA)陰極410及面向FEA陰極410之一陽極(圖中未展示)。一FEA通常包括配置成二維週期性陣列之複數個圓錐形、稜錐形或圓形晶鬚電子發射體。可將可用作一單一發射體之任何形狀之矽場發射體複製成一陣列。
具有一面向上之輸出(頂部)表面403之一矽基板401係位於FEA陰極410A中，其中複數個場發射體經配置成二維週期性圖案(即，FEA 404安置於輸出表面403上)且一實質純硼層405安置於輸出表面403上 以覆蓋FEA 404。此圖中所展示之場發射體404具有可藉由各向異性蝕刻來製成之一稜錐形狀，其可具有接近54.7°之一傾斜角，此係因為該角度對應於單晶矽中之(100)平面與(111)平面之相交角。當期望得到尖銳場發射體尖端時，可在沈積硼層405之前使用可在一中低溫度(低於約950℃)處執行之氧化削尖。一第二電極(即，陽極(圖中未展示))經定位成面向場發射體陰極410。陽極可尤其由諸如鎢、鉬及不鏽鋼之金屬製成。一電壓源可用於產生FEA陰極與陽極之間之一外加電位差以引起電子優先朝向發射體尖端移動。電子源400A類似於一典型冷電子源般操作，使得當電子源400A經適當定位時，電子具有自基板401發射穿過FEA之輸出表面403之一高度可能性，通常最可能自場發射體之尖端附近發射穿過FEA之輸出表面403。
依類似於上文所描述之場發射體204及204b之一方式，可藉由標準CMOS製造技術來製造複數個場發射體404。二氧化矽或氮化矽可用作一遮罩材料且藉由(例如)PECVD來沈積，且光微影可用於圖案化。乾式蝕刻(諸如RIE、ICP及ECR)、濕式蝕刻或乾式蝕刻及濕式蝕刻之一組合可用於形成場發射體。當期望得到尖銳場發射體尖端時，可在沈積硼層405之前使用可在一中低溫度(低於約950℃)處執行之氧化削尖。
影響場發射體性質之一參數係場發射體之間之間隔。歸因於導致個別發射體之間之電場穿透不足之屏蔽效應，緊密間隔之發射體減小場增強因數。因此，為最小化場屏蔽效應且最佳化場發射電流密度，垂直對準發射體之間之距離或發射體間隔可實質上較大，諸如約數十微米至甚至數十厘米。在一例項中，場發射體隔開達100μm至10cm，其包含100μm至10cm之間之全部範圍及精確至1μm之值。例如，場發射體可隔開達10μm、50μm、100μm、200μm或500μm。發射體之間隔可為一發射體之高度之至少3倍。一般而言，發射體之 間隔與將發射體併入至其中之系統之電子光學器件匹配。為此，可選擇100μm至若干cm之間之一間隔。
圖4(B)繪示根據一第三替代實施例之一電子源400B之橫截面圖。類似於上文所描述之結構，電子源400B包含一場發射體陣列(FEA)陰極410及面向FEA陰極410之一陽極(圖中未展示)。在電子源400B中，各個別發射體可類似於上文所描述之發射體300且可依類似方式組態。在FEA中，電子源400B包括具有一面向上之輸出(頂部)表面403之一矽基板401，其中複數個場發射體經配置成二維週期性圖案(即，FEA 404安置於輸出表面403上)且一實質純硼層405安置於輸出表面403上以覆蓋FEA 404。一第二電極(即，陽極(圖中未展示))經定位成面向場發射體陰極410。陽極可尤其由諸如鎢、鉬及不鏽鋼之金屬製成。一電壓源用於產生FEA陰極與陽極之間之一外加電位差以引起電子優先朝向發射體尖端移動。電子源400B與先前所描述之實施例之不同點在於：其包含包含一閘極407或控制閘極，閘極407位於場發射體尖端之高度接近處或場發射體尖端之高度略低處且藉由一介電層406來附接至場發射體以達成對發射電流之快速準確控制。介電層406安置於矽之頂面上以包圍場發射體，但未必覆蓋場發射體。在另一例項中，介電層406部分覆蓋場發射體之一或多者。可藉由標準CMOS製造技術(諸如，使用PVD、CVD或ALD沈積方法)來製造閘極407或介電層406。閘極407可包括一金屬或多晶矽。最簡單發射體設計係其中僅使用一個閘極層之三極體組態，但可使用其他組態。此閘極407通常形成於沈積於基板上之一絕緣層(介電層406)(其通常為氧化層)之頂部上。兩個或兩個以上閘極層用於更複雜發射體設計(圖中未展示)中，其中絕緣層形成此等閘極層之間之間隔物。
圖5係繪示根據上文所描述之實施例來形成之一例示性揭示電子源結構之電子場發射的一例示性能量圖500。垂直方向表示能量。水 平方向表示相對於一場發射體尖端表面之位置。由元件符號512指示場發射體尖端表面位置，元件符號512之左邊展示場發射體內之位置，且元件符號512之右邊展示尖端外(即，真空區域)之位置。應注意，此圖未按比例繪製，係經變形的，且一些態樣經放大以更清晰地繪示電子源之關鍵態樣。虛線502表示僅一小電流流動通過尖端之條件下之場發射體內之場發射體之尖端附近之費米能級。線503表示半導體內之價帶之最高能級。線504表示導帶之最低能級。導帶之最低能級與價帶之最高能級之間之差被稱作帶隙。對於矽，帶隙係約1.1eV，但當摻雜物濃度較高時，帶隙被減小。點劃線505表示真空能級。真空區域中之虛線506表示由一相對正電位引起之僅在場發射體之尖端外之電位分佈，該相對正電位施加於定位成與尖端相距一距離(諸如大於約1μm之一距離)之一陽極(圖中未展示)。
場發射體之尖端經重p型摻雜，其來自顯式摻雜、來自硼自一表面硼塗層(圖中未展示，因為其僅數nm厚)之擴散或來自上述兩者之一組合。由於表面附近之重p型摻雜，在無一外加電場之情況下，費米能級將恰好高於價帶之最高能級以引起能帶向上彎曲成接近表面。然而，來自陽極之外加電場將穿入至尖端附近之矽中以引起導帶及價帶朝向尖端向下彎曲，如由箭頭522所指示。
可藉由熟知之福勒-諾德漢穿隧來描述來自矽場發射體之場發射。一發射體尖端處之局部場比外加電場增強一場增強因數。當外加電場穿入至半導體中時，表面附近區域中之載子濃度改變，且導帶504及價帶503兩者在發射體表面處彎曲，如由箭頭522所指示。
若導帶經足夠彎曲以使導帶504之最低能級低於費米能級502，則電子收集於尖端(tip)中，如523處所描繪。收集之最高填充位準與費米能級502重合，當無電流或僅少量電流流動時，費米能級502在整個半導體中保持大致恆定。當電子朝向場發射體陰極表面512移動 時，大外加電場使電子加速且允許電子到達表面512，電子具有足夠能量來實現逃脫之一高度可能性，如由箭頭520所繪示。
對於諸如107V cm-1之一高靜電偏壓場，一p型場發射體之導帶會在表面處簡併，且一空乏區域(其中費米能級502位於能隙之中間)將產生於p型內部與n型表面之間。此導致此區域中之電子及電洞之一最小濃度，其類似於一反向偏壓p-n接面之情況。
當陰極包括n型矽時，或當包括p型矽之一陰極用作一光陰極時，外加靜電場之強度僅需足以使導帶及價帶在尖端處向下彎曲，且無需使導帶彎曲成低於費米能級。在此一外加靜電場之作用下，少數電子會被自發產生且大多數發射電流將來自注入至自n型矽注入至尖端附近之區域中之電子或來自藉由吸收光來產生之電子-電洞對。
在先前矽場發射體中，矽表面上會存在至少一薄氧化層。此氧化物(即使僅約2nm厚)表示嘗試逃脫之任何電子之一實質勢壘。二氧化矽之帶隙係約9eV。此一大帶隙導致氧化物內之導帶之一局部峰值，其比矽內之導帶高若干eV。所揭示之場發射體表面上之硼層阻止氧氣或水到達矽表面且防止氧化層生長以因此實現一高效電子源。
在一實施例中，在接近室溫之一溫度處操作此矽場發射體以最小化發射電子之能散度。在另一實施例中，當可容忍一較大能散度時，在一高溫(諸如約400 K至約1000 K之間之一溫度)處有益地操作矽場發射體以減少黏附至場發射體之表面之污染物且允許在一不清潔真空環境中操作矽場發射體。
熟悉技術者將明白所描述之實施例之各種修改方案，且可將本文中所界定之一般原理應用於其他實施例。例如，可將額外電極放置於電子發射體接近處來控制發射及/或沿一特定方向聚焦且導引發射電子。儘管可預期本文中所揭示之矽場發射體將在各種掃描式電子顯微鏡及電子束微影系統中尤其有用，但可設想此等發射體可用於其中 需要高輻射及/或高電流電子發射體之其他應用中，諸如，用於一高亮度X射線產生器中。
本文中所描述之電子發射體及方法不意欲受限於所展示及所描述之特定實施例，而是應被給予與本文中所揭示之原理及新穎特徵一致之最廣範疇。
儘管已相對於一或多個特定實施例來描述本發明，但應瞭解，可在不背離本發明之範疇情況下採用本發明之其他實施例。因此，可認為，本發明僅受限於隨附申請專利範圍及其合理解譯。
100:掃描式電子顯微鏡系統
101:場發射體陰極
102:引出及聚焦電極
105:偏轉器
107:聚光透鏡
109:偏轉器
110:末級透鏡
120:電極
121:二次電子偵測器
122a:回散射電子偵測器
122b:回散射電子偵測器
130:置物台
131:樣本
140:電子槍
141:上柱
142:下柱
150:原電子束

Claims (23)

  1. 一種電子源，其包括：一矽基板，其具有一頂面；至少一場發射體，其直接形成於該矽基板之該頂面上，其中該場發射體包括一稜錐(pyramid)或一圓形晶鬚(rounded whisker)；及一硼層，其氣密地安置於該場發射體上，其中該硼層包括大於90%之硼，且其中該硼層自該矽基板至該場發射體之一尖端覆蓋該場發射體。
  2. 如請求項1之電子源，其中該硼層在該硼層與該矽基板之間之一界面附近包括小於10%之氧氣。
  3. 如請求項1之電子源，其中該場發射體之該尖端具有小於100nm之一橫向尺寸。
  4. 如請求項3之電子源，其中該場發射體之該尖端具有大於20nm之一橫向尺寸。
  5. 如請求項1之電子源，其中該場發射體之該尖端具有小於100nm之一直徑。
  6. 如請求項1之電子源，其在與該場發射體相距至少50μm之一距離處進一步包括相對於該場發射體而保持至少500V之一正電壓之一電極。
  7. 如請求項6之電子源，其中該場發射體經組態以在一反向偏壓模式中操作，在該反向偏壓模式中，一空乏層因一電場而產生於該場發射體之一表面處。
  8. 如請求項1之電子源，其在與該場發射體之一頂點相距2μm或更小之一距離處進一步包括相對於該場發射體而保持小於500V之 一正電壓之一電極。
  9. 如請求項8之電子源，其中該場發射體經組態以在一反向偏壓模式中操作，在該反向偏壓模式中，一空乏層因一電場而產生於該場發射體之一發射體表面處。
  10. 如請求項1之電子源，其中該場發射體依小於約1019cm-3之一摻雜位準來進行p型摻雜。
  11. 如請求項1之電子源，其中該場發射體依小於約1014cm-3之一摻雜位準來進行p型摻雜。
  12. 如請求項11之電子源，其進一步包括照射該場發射體之一光源，其中該光源包括一雷射二極體及一發光二極體之一者且其中該光源經組態以維持來自該場發射體之一所要發射電流。
  13. 如請求項1之電子源，其中該場發射體依約1016cm-3與約1019cm-3之間之一摻雜位準來進行n型摻雜。
  14. 如請求項1之電子源，其中該硼層具有自2nm至6nm之一厚度。
  15. 如請求項1之電子源，其進一步包括：一介電層，其安置於該頂面上而鄰近於該場發射體；及一導電閘極，其安置於該介電層上而與該基板對置，其中該介電層之厚度近似等於或小於該場發射體之一高度。
  16. 如請求項1之電子源，其進一步包括配置成一個二維週期性圖案之複數個該等場發射體。
  17. 如請求項16之電子源，其進一步包括：一介電層，其安置於該頂面上而包圍該複數個場發射體；及一導電閘極，其安置於該介電層上而與該基板對置，其中該介電層之厚度近似等於或小於一場發射體之一高度。
  18. 一種電子裝置，其包括：一電子源，其用於產生朝向一樣本導引之一原電子束，其中 該電子源包括：一矽基板，其具有一頂面；至少一場發射體，其直接形成於該矽基板之該頂面上，其中該場發射體包括一稜錐或一圓形晶鬚；及一硼層，其安置於該場發射體上，其中該硼層包括大於90%之硼，且其中該硼層自該矽基板至該場發射體之一尖端覆蓋該場發射體；及電子光學器件。
  19. 如請求項18之裝置，其中該裝置係一掃描式電子顯微鏡(SEM)，其中該等電子光學器件經組態以縮小該原電子束且將該原電子束聚焦至該樣本上，且其中該裝置進一步包括用於偵測來自該樣本之回散射電子及二次電子之至少一者之一偵測器。
  20. 如請求項18之裝置，其中該電子源進一步包括：一介電層，其安置於該頂面上而鄰近於該場發射體；及一導電閘極，其安置於該介電層上而與該基板對置，其中該介電層之厚度近似等於或小於該場發射體之一高度。
  21. 如請求項18之裝置，其中該電子源進一步包括經組態以控制該原電子束之電流之一光源。
  22. 如請求項18之裝置，其中該裝置係一電子束微影系統，其中該等電子光學器件經組態以縮小該原電子束且將該原電子束聚焦至一目標上，且其中該裝置進一步包括用於調變該電子束之強度之一調變器。
  23. 如請求項18之裝置，其中該裝置係一X射線源，且其中該等電子光學器件經組態以將該原電子束導引至陽極。
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