光调制电子源的制作方法

本申请案主张2019年9月26日申请且以引用的方式并入本文中的标题为“电子源(ELECTRON SOURCE)”的第62/906,095号美国临时专利申请案的优先权。

技术领域

本公开大体上涉及利用电子源的系统/装置(例如，扫描电子显微镜、电子束光刻系统及X射线源)。特定来说，本公开涉及适用于适合于检视及/或检验光掩模、光罩及半导体晶片的各种半导体检验、度量及检视系统中的电子源。

背景技术

集成电路工业需要具有越来越高灵敏度的检验工具以检测越来越小的缺陷及粒子，所述缺陷及粒子的大小可为几十纳米(nm)或更小。这些检验工具必须以高速操作以在短时段中检验光掩模、光罩或晶片的区域的大分率或甚至100％。例如，检验时间针对生产期间的检验可为小时或更少，或针对R&D或故障排除可为最多几小时。为了如此快速地检验，检验工具使用大于所关注缺陷或粒子的尺寸的像素或光点大小，且仅检测由缺陷或粒子引起的小信号变化。最常在生产中使用以UV光操作的检验工具来执行高速检验。可用UV光或用电子执行R&D中的检验。

一旦已通过高速检验发现缺陷或粒子，通常便必须制作更高分辨率的图像及/或执行材料分析以确定粒子或缺陷的起源或类型。此过程通常被称为检视。通常用扫描电子显微镜(SEM)执行检视。用于半导体制造中的检视SEM通常需要每天检视数千个潜在缺陷或粒子，且每个目标可最多具有几秒来检视。

电子显微镜(包含检视SEM)利用电子源(又被称为电子发射器或电子枪)来产生用于照明目标样本的加速电子束，借此促进检视目标样本的表面上的潜在缺陷。电子源可划分成两大群组：发射由热(高温)出射的电子的热离子源及利用高电压来发射电子的场发射源。热离子源为最常用的市售电子发射器，且通常由钨或六硼化镧(LaB6)制成。在热离子发射中，当电子热能足够高以克服表面电势势垒时，电子从材料表面沸腾出。热离子发射器通常需要高温(对于LaB6>1300K且对于钨>2500K)来操作且具有若干缺点，例如低效率的电力消耗、宽能量散布、短寿命、低电流密度及有限亮度。对更高效率电子源的需求已驱使肖特基(Schottky)发射器及冷电子源(例如电子场发射器)的研究及开发。

在肖特基发射器中，热离子发射通过归因于在经施加外部电场下的图像电荷效应的有效电势势垒降低而增强。肖特基发射器通常由具有涂布有氧化锆(ZrOX)层的尖端的钨丝制成，其展现低得多的功函数(～2.9eV)。热辅助肖特基发射器需要在高温(>1000°K)及高真空(～10^-9毫巴)下操作，且归因于高操作温度而具有比期望更宽的电子发射能量散布。与肖特基发射器相比，半导体晶片及掩模检验、检视及光刻期望具有较低能量散布、较高亮度(辉度)及较高电流密度的电子源，这是因为其将实现更快及更具成本效益的检验、检视及光刻。

冷电子源(尤其是电子场发射器)已用于场发射显示器、气体离子化器、x射线源、电子束光刻及电子显微镜以及其它应用中。冷电子源利用未通过灯丝电加热的场发射器阴极(即，阴极发射的电子比可由热离子发射单独供应的电子多)，但不必在低温下操作；其通常通过场发射的电子电流(即，从阴极发射的电子)加热到高于室温的操作温度。典型场发射器由发射器阴极构成，所述发射器阴极具有安置于低压(真空)环境中的圆锥形尖端及圆形栅极孔隙(提取器)。在经施加外场下，跨发射器阴极及栅极建立电势差，导致尖端的表面处的高电场。场发射在经施加电场足够高以降低尖端-真空界面上的电势势垒，使得电子可在接近室温的操作温度下隧穿此势垒(即，量子机械隧穿)时发生。以此方式从尖端发射的电子朝向正场源(例如，阳极)行进，所述正场源在比栅极更正的电势下加偏压。可通过福勒-诺德汉(Fowler-Nordheim)理论的经修改版本估计发射电流密度，所述理论考虑到归因于场发射器的场增强因子。

场发射器因为其可在接近室温下操作，因此具有低于肖特基及热离子发射器的能量散布，且可具有高于热离子发射器的亮度及电子电流。然而，在实际使用中，场发射器的输出电流较不稳定，这是因为污染物可容易粘附到发射器的尖端且改变(增加或降低)其功函数，此将改变(降低或增加)亮度及电流且还改变从其发射电子的区域的形状。需要周期性闪蒸(即，暂时升高尖端温度)以移除所述污染物。在闪蒸过程期间，仪器不可用于操作，此需要相当长的时间(即，几十秒到几分钟)来加热尖端以及接着允许其冷却且稳定。在半导体产业中，需要仪器长时间持续地且稳定地操作而无中断，因此通常优先于冷场发射器使用肖特基发射器。

早期努力已致力于开发金属场发射器。Spindt型钼场发射器尤其可能是最为人熟知的金属场发射器，这是因为钼具有低电阻率(在20℃下为53.4nΩ·m)及高熔点(2896K)。然而，金属发射器遭受若干缺点，例如归因于金属沉积技术而缺乏均匀性，且更严重的是发射电流主要归因于氧化而降级。

随着现代半导体制造技术的出现，已存在对半导体场发射器，尤其硅场发射器的研究，这是因为作为金属纳米尖端的替代的是硅场发射器(例如见P.D.基思利(P.D.Keathley)、A.塞尔(A.Sell)、W.P.普特南(W.P.Putnam)、S.格雷拉(S.Guerrera)、L.韦拉斯奎兹-加西亚(L.Velásquez-García)及F.X.卡特那(F.X.)的“来自硅场发射器阵列的强场光发射(Strong-field photoemission from silicon field emitter arrays)”Ann.Phys.525，第144到150页，2013年)。硅在其用于制造大规模场发射器结构时，具有实际优势。单晶体(单晶)硅是用于场发射器的有吸引力的材料。硅晶体可经生长为具有极高纯度及极少晶体缺陷。可通过掺杂及/或施加电压而更改硅的导电率。更重要的是，硅具有发展良好的技术基础(即，硅场发射器可通过标准CMOS制造技术制造)。

即使近年来，硅场发射器已展现前景，其仍尚未市售。使用硅来形成场发射器的一个严重问题在于硅相当具有反应性，且甚至在约10^-10毫巴的压力下，仍可在数小时内被污染。硅极其容易在其表面上形成原生氧化物。甚至在真空中，最终仍将形成原生氧化物，这是因为真空中存在的少量氧气且水将与硅的表面起反应。硅与二氧化硅之间的界面具有缺陷(归因于悬键)，在缺陷中，电子重组的概率非常高。此外，二氧化硅的能带隙较大(约9eV)，从而产生高于电子必须克服以逸出的功函数的额外势垒(即使氧化物是极薄)。例如，光滑硅表面上的原生氧化物通常约为2nm厚。在一些情境中，氧化还可改变场发射器的形状。这些前述问题可导致低亮度及电流、以及欠佳的发射稳定性、缺乏可靠性、可扩缩性及均匀性，且已阻碍硅场发射器的商业用途。

研究工作已扩展到寻找用于场发射器的表面处理及涂布，以针对较低接通电压、较高发射电流密度、较低噪声及改进的稳定性改进其性能。这些处理可包含用耐火金属、硅化物、碳化物及金刚石等涂布发射器尖端。然而，这些涂层材料在形成光滑且均匀的涂层表面时通常受制造工艺的限制，及/或通常受形成于涂层表面上的氧化物层影响，从而产生额外能量势垒。出于这些原因，经涂布硅场发射器尚未变为如冷电子源那样实用。

最近，已研究光子辅助式电子发射。来源于光源(例如灯及激光器)的光子能量可进一步增强电子发射，此可导致高束电流、高亮度、随时间恒定的强度及束中的电子动能分布的低FWHM(半峰全宽)。此外，光束的调制可用于调制所得电子束。迄今为止，大多数研究已集中在从金属纳米尖端(例如金或钨)的激光驱动发射(例如见M.R.比奥塔(M.R.Bionta)、S.J.韦伯(S.J.Weber)、I.布鲁姆(I.Blum)、J.毛尚(J.Mauchain)、B.乔特尔(B.Chatel)及B.查罗平(B.Chalopin)的“来自银纳米尖端的波长及形状相关的强场光发射(Wavelength and shape dependent strong-field photoemission from silver nanotips)”New J.Phys.18，103010，2016年)。

因此，需要克服现有技术的限制的一些或全部的电子源。特定来说，需要提供硅基场发射器的有前景方面(即，小发射器大小、低电力消耗、高亮度、高电流密度、高速度及长发射器寿命)，同时避免先前已阻止硅基场发射器结构的广泛商业用途的负面方面的至少一些。

技术实现要素：

本发明涉及光调制电子源，其利用光子束来控制从具有硅类型场发射器阴极的场发射器发射的电子束的发射电流。所述场发射器阴极包含p型掺杂或n型掺杂硅衬底，所述衬底在输出(第一)表面上蚀刻或以其它方式处理以提供具有发射尖端的一体化突出部。所述场发射器还包含至少一个电极(例如，提取器及抑制器、栅极/控制电极及聚焦电极的零个或零个以上)，所述至少一个电极邻近所述场发射器阴极安置，且包含孔隙。在一些实施例中，所述提取器定位于所述发射尖端的高度的约±300nm内的高度处，且相对于所述场发射器阴极维持于约30V与约200V之间的正电压下，其中所述掺杂硅衬底中的电子通过在所述场发射器阴极与所述提取器之间产生的经施加电场吸引朝向所述发射尖端。在一些实施例中，一或多个额外电极可操作地布置于所述发射尖端下游，使得经发射的电子(即，具有足够能量来通过量子机械隧穿克服发射尖端表面/界面处的电势势垒的电子)聚焦或以其它方式形成穿过这些额外电极的孔隙的电子束。根据本发明的方面，光子束源(例如，激光器或其它光源、任选调制器及任选光学系统)经配置以产生具有大于硅的能带隙的能量的所述光子束(即，具有拥有短于约1μm的波长的光子)，且将所述光子引导到邻近所述发射尖端(即，正上方及/或附近)的所述场发射器阴极上，其中所述光子的至少一些通过所述场发射器阴极的相关联硅原子吸收且因此通过增加所述场发射器阴极的导带中的电子数目增强(即，经由光子辅助场发射)所述电子束的发射电流。即，通过所述硅吸收的所述光子根据光电效应产生电子-空穴对，借此在所述发射尖端附近在所述场发射器阴极中产生额外自由电子(即，光电子)。这些光电子与通过所述经施加电场产生的自由电子组合(即，添加到所述自由电子)，借此通过增加所述场发射器的导带中的自由电子的总数目(即，与在无所述光子束的情况下将存在的自由电子的数目比较)增强所述电子束的发射电流。根据本发明的另一方面，所述电子源还包含控制电路，所述控制电路经配置以通过控制(例如，选择性增加或降低)从所述光子束源传输到所述场发射器阴极的所述光子束的强度而调制由所述场发射器阴极产生的所述电子束的发射电流的数量。例如，为增加(或降低)所述发射电流，所述控制电路控制所述光子束源以增加(或降低)所述光子束的所述强度(例如，经由对应光子束源控制信号)，借此增加(或降低)从所述场发射器阴极发射的电子数目。凭借此布置，本发明提供一种电子源，其具有硅的有益品质(即，高纯度/低缺陷材料、长电子重组时间及成熟的硅基制造工艺)，以及场发射器的有吸引力的特征(即，小发射器大小、低电力消耗、高亮度、高电流、高速度及长发射器寿命)，同时避免先前已阻止硅基场发射器结构的广泛商业用途的负面方面的至少一些。

在一些实施例中，一或多个抗氧化涂层安置于所述场发射器阴极的至少一部分上，使得所述涂层完全连续地覆盖至少所述发射尖端，借此减少或消除与常规硅基场发射器上的氧化物形成相关联的问题。在优选实施例中，与常规硅基场发射器相关联的问题通过利用良好建立的半导体制造(例如，标准CMOS)技术来制造所述场发射器阴极及所述涂层而进一步减少。在一个实施例中，所述硅衬底是本质上不含缺陷的单晶(单晶体)硅，其具有约10nm到几百μm的范围中的厚度。二氧化硅或氮化硅掩模材料通过PECVD沉积于顶部/输出(第一)表面上且接着使用光刻图案化。干式蚀刻(例如RIE、ICP及ECR)、湿式蚀刻或干式及湿式蚀刻的组合接着用于形成所述突出部，所述突出部可采用各种形状，例如圆形晶须(具有圆形尖端的圆柱形柱)、圆形圆锥或锥体，其中在每一情况中，所述突出部的发射尖端具有在1nm到50nm的范围中的横向尺寸。接着使用标准CMOS沉积技术完全在至少所述突出部的所述发射尖端部分上方形成所述保护层。在一个实施例中，所述涂层包括抗氧化材料，例如大体上纯硼、硼化物(例如，六硼化镧)或碳化物(例如，碳化硅、碳化铪或碳化硼)，且具有1nm与10nm之间的厚度。在其它实施例中，所述涂层包括另一材料，例如氮化硼、氮化钛、氮化钽或金属硅化物。使用标准CMOS过程制造所述一体化场发射器突出部及所述涂层促进所述涂层的可靠形成，使得其连续覆盖可形成所述发射器的输出表面的所述发射尖端及所述突出部的周围部分，借此使所述场发射器阴极能够通过利用归因于所述场发射器包含涂层以最小化或防止底层硅材料的氧化的场增强来规避二氧化硅的相对宽的能带隙及低导电性。

在一个实施例中，所述光子束源包含光源(例如，激光器或其它照明装置)，所述光源经配置以产生形成在可见光或UV波长范围内(即，在250nm到700nm之间)的波长的所述光子束的光子，借此所述光子束中的所述光子的大分率由定位为靠近所述发射尖端的所述表面(即，在其约1μm内)的硅原子吸收，借此进一步增强可用于从所述场发射器阴极发射的电子的数目。在一些实施例中，所述光子束源还包含聚焦设备(例如，包含透镜及/或镜的聚焦光学器件)及任选光调制装置，其安置于介于所述光源与所述场发射器阴极之间的所述光子束的路径中。所述聚焦光学器件(例如，一或多个光学元件，例如透镜、镜或其组合)经由引导且聚焦从所述光源发射的光子而有效界定所述光子束的路径，使得所述光子的至少一些撞击所述发射器突出部。在一个实施例中，所述聚焦设备包含曲面(例如，抛物面)镜，所述曲面镜经配置(即，定位且塑形)以引导所述光子束通过形成于所述场发射器的电极中的至少一者中的孔隙(即，使得所述光子束大体上沿着从所述场发射器阴极发射的所述电子束的同一路径但方向相反，从光源重新引导到所述场发射器阴极)。所述光调制装置(例如，电光调制器或声光调制器)安置于所述光子束的路径中，且用于例如经由根据经施加光调制器控制信号阻挡经发射的光子通量的一部分而调制所述光子束。

如上文所提及，控制电路(控制器)经配置以经由控制光子束源根据选定调制方案来调整(例如，增加或降低)光子束强度而调制从硅型场发射器阴极发射的电子束。在优选实施例中，所述电子源进一步包含监测器(即，测量装置或传感器)，所述监测器经配置以在操作期间的每一时刻感测或以其它方式测量所述电子束的所述发射电流，且产生对应发射电流测量值且将所述值传输到所述控制电路。在一个实施例中，所述监测器邻近于所述电子束安置(即，安置于所述场发射器阴极下游，例如，邻近于聚焦电极的所述孔隙或在阳极上)。在一些调制方案中，所述控制电路利用所述发射电流测量值作为反馈信号来调整或维持所述电子束电流。例如，当调制方案涉及将所述电子束维持于特定电子束电流时，所述发射电流测量值中的变化可反映所述场发射器的固有电流波动，这是(例如)归因于因所述场发射器表面上形成氧化物而使所述发射器的所述功函数改变。当此类固有电流波动发生时，所述控制电路检测所述发射电流测量值的所述对应变化，并经由一或多个光子束源控制信号实现对所述光子束强度的校正性调整。例如，当所述发射电流测量值指示所述电子束电流从目标电平偏离(增加或降低)时，所述控制电路通过控制所述光源或光调制装置以实现所述光子束强度的对应调整(降低及/或增加)而进行补偿，直到所述发射电流测量值指示所述电子束的发射电流已返回到所述目标电平。通过重复此过程，每当检测到偏离时，所述控制电路利用所述光子束源来将所述发射电流维持于大体上恒定的电平(即，所述目标电平)。通过所述控制电路实施的其它调制方案可包含(例如)在不同时间将所述发射电流调整为不同值(例如，在用于高速扫描的较高电流电平与用于低速扫描的较低电流电平之间周期性切换)，或对所述电子束进行选通(即，开启/关闭所述电子束)。在所述高/低或开/关调制方案中，通过提供由控制电路可操作地控制的可切换(可调整)光源，所述电子源促进所述电子束的发射电流的调制，使得其及时跟进所述经切换光子束强度。

在特定实施例中，所述电子源经配置以实施开/关调制方案，其中所述电子束的调制涉及双态触变所述光子束源以在最小/零(关)电流电平与选定非零(开)电流电平之间切换从所述场发射器阴极的电子发射。为了在所述光子束关闭时实现零(或接近零)电子发射，所述场发射器阴极在p型掺杂硅衬底上制造，且所述涂层是p型材料(例如，硼)，且所述电极经配置以在所述发射尖端处产生电场(即，在所述场发射器阴极与所述电极/阳极之间)，所述电场维持于恰好低于发射发生的场强(即，所述场使得所述发射尖端附近的所述发射器阴极的导带维持于恰好高于所述阴极的费米能级上，以便防止或最小化从所述场发射器阴极的电子发射)。具体来说，产生所述电场，使得在第一时间段期间，所述场发射器阴极的所述发射尖端附近的所述导带经维持于高于所述场发射器阴极的费米能级的电压电平，借此在所述光子束关闭或最小化时最小化从发射尖端的电子发射。相比来说，在第二时间段期间(即，当致动所述光子束源时)，至少一些光子由所述场发射器阴极的相关联硅原子吸收，借此在载子带中产生被强烈吸引朝向所述发射尖端的光电子，其中许多这些光电子从所述发射尖端发射，以在相对高(第二)电流下产生从所述发射尖端的所述电子束的光子辅助场发射。因而，此实施例提供一种电流源，其可完全经由开启/关闭所述光子束源(即，不需要改变由所述提取器施加的所述电场)在零(或大体上为零)电子电流与非零电子电流之间快速切换，从而大幅简化所述切换过程。当然，可经由利用监测器(如上所描述)来确保将所述非零电子电流维持于期望电平而进一步增强所述开/关调制方案。相比来说，实施所述高/低调制方案的电子源可通过消除对零电流发射的需要而利用其它配置(例如，所述阴极硅经n型掺杂，使得即使在无光子束的情况下仍有丰富电子可用于形成发射电流)。

根据本公开的各种替代性实施例，各种额外层及结构用于进一步增强所公开的电子源中的发射器结构的有利质量。在一些实施例中，所述提取器形成于电介质(电绝缘)层上，所述电介质层安置于所述衬底的顶部/输出表面上且经图案化以围绕所述场发射器突出部(即，使得所述提取器通过所述电介质层与所述衬底的顶部/输出表面分离)。在一个实施例中，所述电介质层经形成为具有小于所述衬底表面上方的所述发射尖端的高度的厚度，其中随后形成的提取器的标称高度可靠地定位于所述发射尖端高度的期望约±300nm范围内。在一些实施例中，在所述提取器上方形成一个或若干个栅极层或控制电极，以进一步控制所述发射尖端处的所述电场并实现对所述发射电流的快速及精确控制。当实施若干栅极层时，绝缘层用作每一栅极层之间之间隔件。在又一实施例中，一种多电子束源(例如，场发射器阵列，FEA)包含硅场发射器阴极，所述场发射器阴极具有在所述发射器的输出表面上以二维周期性图案布置的多个场发射器突出部，其中每一场发射器突出部经配置以在存在电场的情况下发射电子，并以上文描述的方式接收光子束。

通过使用形成于所述单晶体硅衬底上的场发射器、安置于所述场发射器的顶部上的第一层以及引导朝向所述场发射器的光子束，本公开提供硅的有益品质(即，高纯度/低缺陷材料、长电子重组时间及成熟的硅基制造工艺)，且实现场发射器的有吸引力的特征(即，小发射器大小、低电力消耗、高亮度、高电流、高速度及长发射器寿命)，同时避免先前已阻止硅基场发射器结构的广泛商业用途的负面方面的至少一些。特定来说，可通过使用光来控制所述发射电流而改进从此类发射器的所述电子发射的稳定性。

根据本公开的实施例，本文公开的电子源被并入检验、度量及检视扫描电子显微镜(SEM)中。SEM包含电子源、电子光学器件及检测器。所述电子光学器件可经配置以缩小(de-magnify)一次电子束且将所述一次电子束聚焦于样本上且所述检测器可经配置以检测来自所述样本的反向散射电子及二次电子中的至少一者。所述电子源产生经引导朝向样本的一次电子束。所述电子光学器件缩小所述一次电子束且将其聚焦到所述样本上。所述电子光学器件还包含可扫描所述一次电子束遍及所述样本的区域的偏转器。当所述一次电子束撞击所述样本时，所述样本吸收来自所述一次电子束的许多电子，但散射一些电子(反向散射电子)。所述经吸收能量使二次电子连同X射线及俄歇(Auger)电子一起从所述样本发射。所述二次电子由二次电子检测器收集。所述反向散射电子可由反向散射电子检测器收集。

附图说明

在附图的图中通过实例而非通过限制说明本公开，在附图中：

图1是展示根据本发明的示范性实施例的示范性光调制电子源的简化透视图；

图2是说明根据本发明的示范性实施例的形成于硅衬底上的经涂布硅场发射器阴极的横截面侧视图；

图3是说明根据本公开的替代性实施例的简化电子源的框/电路图；

图4是说明根据本公开的另一替代性实施例的部分简化电子源的框/电路图；

图5A及5B是说明根据本发明的另一实施例的在实施开/关调制方案的电子源的操作期间的场发射器阴极的横截面侧视图；

图6是说明根据本发明的另一示范性实施例的形成于硅衬底上的多个场发射器阴极的横截面侧视图；

图7说明根据本发明的另一示范性实施例的电子源；

图8说明根据本发明的实际实施例的并入电子源、电子光学器件、反向散射电子检测器及二次电子检测器的实施例的示范性SEM。

具体实施方式

尽管将依据特定实施例描述所主张的标的，但其它实施例(包含未提供本文中阐述的全部优点及特征的实施例)也在本公开的范围内。可在不脱离本公开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，仅参考所附权利要求书定义本公开的范围。

呈现以下描述以使所属领域的一般技术人员能够制造且使用如在特定应用及其要求的内容背景中提供的本公开。如本文中使用，方向术语(例如“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“上”、“向上”、“下”、及“向下”)希望为描述的目的提供相对位置，且并不希望指定绝对参考系。所属领域的技术人员将明白对优选实施例的各种修改，且本文中定义的一般原理可应用到其它实施例。因此，本公开并不意在受限于所展示及描述的实施例，而将要符合与本文所公开的原理及新颖特征一致的最广范围。

图1展示根据本发明的示范性实施例的产生电子束112的示范性光调制电子源100。电子源100大体上包含：硅基场发射器110，其包含场发射器阴极120；提取器(电极)130；光子束源140；及控制电路150。表示图中描绘的各种元件(例如，图1中的场发射器阴极120及提取器130)的结构的特定形状及比例仅为描述性目的选择且不意在传达特定形状或尺寸。

场发射器阴极120经制造于硅衬底121上且包含一体化发射器突出部124。硅衬底121包含p型或n型掺杂硅层，所述硅层具有顶部/输出(第一)表面122及相对底部(第二)表面123。通过从硅衬底121移除硅材料而形成/制造的发射器突出部124包含：基底125，其一体连接到顶部表面122；主体部分126，其远离顶部表面122延伸；及发射尖端127，其安置于主体部分124的远端处。

提取器(电极)130邻近于场发射器阴极120固定地安置且经配置以产生电场E，所述电场E用于将硅衬底121中的自由电子(例如，电子113-1)吸引朝向发射尖端127。提取器130包含导电结构132，所述导电结构132相对于场发射器阴极120维持于正电压(例如，如由电压源VDC指示)以在源100的操作期间产生电场E。当给定自由电子113-1以足够克服发射尖端表面/界面处的电势势垒的能量到达发射尖端127时，其通过表面/界面(例如，经由量子机械隧穿)并出射场发射器阴极120(从其发射)，以变为发射电子113-3。当以足够高速率产生发射电子113-3时产生电子束112，其中电子束112的发射电流Ie由每单位时间发射电子113-3的数目定义。出于示范性目的，将提取器130描绘为具有环形导电结构132，其界定中心孔隙134且经布置使得中心孔隙134的内边缘围绕电子束112的发射路径或突出部124的一部分。即，提取器130可定位于发射尖端127的下游(即，比发射尖端127更远离顶部表面122，例如，如图1中所描绘)，使得由图1中的点划线箭头所描绘的电子束112的路径穿过孔隙134。相反，当提取器130经定位成与顶部表面122及发射尖端127相距相等距离或比发射尖端127更靠近顶部表面122时(例如，如图2中描绘，如下文论述)，那么发射尖端127可与孔隙134大致共面或可穿过孔隙134突出；在此情况下，自由电子113-1及113-2通过孔隙134，同时仍含于突出部124内(即，在从发射尖端127出射且变为发射电子113-3之前)。

光子束源140经配置以产生具有强度Ip的光子束142并将其引导到场发射器阴极120上。根据本发明的方面，光子束142包含具有大于硅的能带隙的能量的光子143(即，使得形成光子束142的光子143具有短于约1μm的波长λp)，其中至少一些光子143由场发射器阴极120的相关联硅原子吸收。光子束142经引导(例如，使用下文描述的光学元件)到邻近于发射尖端127(即，正上方及/或附近)的场发射器阴极120的表面部分上，其中至少一些光子143由场发射器阴极120的相关联硅原子吸收。如在图1中指示，由场发射器阴极120吸收的每一光子143根据光电效应产生电子-空穴对EHP，借此在场发射器阴极120中释放光子-电子113-2并增加场发射器的导带中的自由电子数目，借此增加发射电子的数目且引起电子束112的发射电流Ie的对应增加。即，在无光子束142的情况下，场发射器的导带中的自由电子113-1的数目相对较低，其中电子束112具有相对低的发射电流Ie。当以足够强度Ip产生时，光子束142经由增加场发射器的导带中的自由电子数目(即，通过用光电子113-2补充导带中的自由电子113-1)促进光子辅助场发射(即，以增强/增加发射电流Ie产生电子束112)。

根据本发明的另一方面，控制电路150经配置以通过以调整光子束142的强度Ip的方式控制光子束源140的操作而调制电子束112的发射电流Ie。在一些实施例中，控制电路150是处理器、现场可编程装置或专用集成电路，其根据已知技术生产且配置，使得其用于实施选定电子束调制方案，使得其根据选定调制方案产生一或多个光子束源控制信号PBSC，且使得其用于将光子束源控制信号PBSC传输到光子束源140。下文描述各种调制方案，其中的一者包含在高电流电平与低电流电平之间周期性切换电子束112的发射电流Ie。在此实例中，为了将发射电流Ie从低电流电平增加到高电流电平，控制电路150产生/传输具有第一值的光子束源控制信号PBSC，此使光子束源140增加光子束142的强度Ip，借此以上文描述的方式使发射电流Ie对应增加。相反，为了将发射电流Ie从高电流电平降低到低电流电平，控制电路150产生具有第二值的光子束源控制信号PBSC，此使光子束源140降低光子束强度Ip。

图2在横截面视图中说明根据示范性实施例的电子源的场发射器110A。注意，与场发射器110的特征(如图1所示)基本上相同的场发射器110A的特征使用相同元件符号识别，此意味着参考图1及2两者提及的对应特征的细节适用于场发射器110及110A两者。元件符号结尾的后缀“A”指示相关特征可为不同的。在下文参考图3到8描述的其它实施例中也使用此惯例，其中不同后缀字母指示与先前描述的实施例的一或多个差异。

场发射器阴极120A形成于硅衬底121中，所述场发射器阴极120A具有安置于面向上的输出(顶部)表面122上的场发射器突出部124。在优选实施例中，硅衬底121本质上是不含缺陷的单晶硅(即，硅的单晶体)，其具有在约100nm到几百μm的范围中的厚度Ts。在一些实施例中，硅衬底121用小于约10¹⁹cm^-3的掺杂度进行p型掺杂(即，约0.005Ω·cm或更高的电阻率)。由于少数载子寿命及扩散长度随着掺杂物浓度增大而减小，因此当硅极薄时(例如当衬底厚度Ts薄于约1μm时)，可使用高于约10¹⁹cm^-3的掺杂物浓度，而当衬底厚度Ts大于约1μm时，低于约10¹⁹cm^-3的掺杂物浓度可为优选的。对于厚于几微米的硅(例如10μm或更大的厚度Ts)，低得多的掺杂物浓度(例如小于约10¹⁴cm^-3)可为优选的以确保长载子寿命及低暗电流。在替代性实施例中，硅可经n型掺杂为具有约10¹⁵cm^-3或更大的掺杂物浓度。例如，硅可经n型掺杂为具有在约10¹⁵cm^-3与10¹⁹cm^-3之间的掺杂物浓度。具有n型掺杂的硅比p型掺杂的衬底在导带中具有更多可用电子，所述电子可经吸引朝向发射尖端127以形成期望发射电流。在n型掺杂及p型掺杂衬底两者中，导带中的电子数目可通过如下文描述用光照明场发射器而增加。当期望调制为大时，p型掺杂衬底可为优选的，这是因为当光子束强度为零或低时，导带中的电子数目将非常低，且当光子束强度增加时，导带中电子数目的相对增加将是大的。当由于导带中的较大数目个电子而期望高电子发射电流时，n型掺杂衬底可为优选的。在此情况中，可实现的电流调整的相对范围可小于p型掺杂硅，但电流控制的范围一般将足以减少或消除电子发射中的噪声。

在一个实施例中，场发射器突出部124通过各向异性蚀刻形成为具有锥体形状(例如，如图1中指示)，此产生接近54.7°的倾斜角θ，这是因为所述角对应于单晶硅中的(100)及(111)平面的相交。当期望尖锐的场发射尖端时，可在沉积或形成连续涂层129之前使用可在低温到适中温度(小于约950℃)下执行的氧化削尖。在示范性实施例中，示范性突出部124具有在2到5μm的范围中的基底宽度Wb，及在2到10μm的范围中的基底到尖端高度H1。形成于尖锐突出部124的远端(顶点)处的发射尖端127在原子级长度下可包括大体上平坦区域，例如大体上平行于硅晶体衬底121的晶面(例如大体上平行于(100)平面)的表面。在图2中，发射尖端127的特性横向尺寸(例如直径)由Det指示。在优选实施例中，Det可在约1nm与约50nm之间。例如，Det可小于约50nm或小于约20nm。

在一些实施例中，场发射器突出部124可使用非锥体形状形成，例如圆形晶须(具有圆形尖端的圆柱形柱)或圆锥(未展示)。与具有远大于零度的半角的圆锥或锥体相比，圆形晶须或具有约零度半角的圆锥提供更高场增强。然而，圆形晶须为比类似高度的圆锥或锥体差的热导体。因此，场增强与热稳定性之间通常存在权衡。

场发射器阴极120A包含抗氧化涂层129，所述抗氧化涂层129完全连续覆盖(即，形成不含开口或孔的完整层)至少发射尖端127。在图2的示范性实施例中，涂层129被描绘为连续层，其安置于整个突出部124上方，使得主体部分126及发射尖端127的所有表面由涂层129完全连续覆盖。在其它实施例(未展示)中，涂层129可选择性地仅在突出部124的远端上方形成(即，在整个发射尖端127上方，主体部分126的至少一部分邻近于突出部124的远端定位)。在又其它实施例(例如，例如图3中描绘的实施例)中，涂层129可在顶部/输出表面122上方延伸。在示范性实施例中，连续抗氧化涂层129包括大体上纯硼、碳化硅、硼化物材料(例如六硼化镧)、碳化物材料(例如碳化铪)、金属硅化物(例如硅化钛)、半金属氮化物(例如氮化钛或氮化钽)及半导电氮化物(例如氮化硼)中的一者。形成涂层129，使得其连续地覆盖发射尖端127意味着涂层129密闭式密封发射尖端127以防氧化。为确保涂层129提供良好密闭式密封而不形成针对电子发射的强势垒，涂层129经形成为具有在约1nm与10nm之间的厚度Tcl。可在沉积涂层129之前例如通过执行湿式清洁其后接着原位热氢清洁而从硅表面移除全部原生氧化物。用于用硼涂布硅的方法的细节可在萨鲁比(Sarubbi)等人的“在硅上化学气相沉积a-硼层用于受控纳米深p -n结形成(Chemical vapor deposition of a-boron layers on silicon for controlled nanometer-deep p -n junction formation)”，J.电子材料，第39卷，第162页到第173页，2010年，及庄(Chuang)等人的美国专利10,133,181及10,748,730中找到，所有所述文献以引用的方式并入本文中。用碳化硅涂布硅发射器的方法的细节可在M.长尾(M.Nagao)等人的“用CHF3等离子体处理的Si场发射器的无损伤真空密封(Damageless vacuum sealing of Si field emitters with CHF3plasma treatment)”，J.Vac.Sci.Technol.B，第19卷，第3号，2001年5月/6月，第920页到第924页，J.刘(J.Liu)等人的“通过化学转化为SiC对Si场发射体表面进行改性(Modification of Si field emitter surfaces by chemical conversion to SiC)”，J.Vac.Sci.Technol.B，第12卷，第2号，1994年3月/4月，第717页到第721页及标题为“电子枪及电子显微镜(Electron Gun and Electron Microscope)”且由庄等人在2019年9月11日申请的美国公开专利申请案2020/0118783(代理人档案号码KLA-076(P5403))中找到。所有此类文献以引用的方式并入本文中。其它材料可酌情通过CVD、等离子体增强CVD或PVD过程涂布到硅上。

根据当前优选实施例，使用标准CMOS制造工艺制造场发射器120A。例如，衬底121可经制备用于使用二氧化硅或氮化硅作为通过PECVD沉积的掩模材料进行蚀刻，且随后可使用光刻来图案化掩模材料。干式蚀刻(例如RIE、ICP或ECR)、湿式蚀刻或干式蚀刻及湿式蚀刻两者的组合可接着用以形成发射器突出部124。当期望尖锐的场发射器尖端时，可在形成涂层129之前使用通常在低温到适中温度(例如小于约950℃)下执行的氧化削尖。涂层129可接着使用标准CMOS沉积过程沉积于发射器突出部124的曝露部分上方。

再次参考图2，场发射器阴极120A包含提取器电极(或栅极电极)130A，所述提取器电极经维持为接近发射尖端127的高度且通过电介质层128附接到衬底121，且经配置以促进发射电流Ie的快速且精确控制。优选地，提取器130A在顶部表面122上方的标称高度H2相对于发射尖端127的基底到尖端高度H1约为±300nm。因此，电介质层128约等于或小于发射尖端127的高度。优选地，电介质层128的厚度TD大于发射尖端127的高度H1的约十分之一。优选地，发射器尖端127与提取器130A的内侧边缘之间的水平分离D3(其界定孔隙134A)在约100nm与1μm之间。电介质层128可包括一或多个电介质材料，例如SiO2或Si3N4。电介质层128围绕场发射器突出部124A安置于顶部表面122上，但未必覆盖场发射器突出部124。在另一例子中，电介质层128部分覆盖场发射器突出部124。在优选实施例中，可通过例如使用PVD、CVD或ALD沉积方法的标准CMOS制造技术来制造提取器130A及电介质层128。提取器130A可包括金属或多晶硅。最简单的发射器设计是其中仅使用配置为提取器130A的一个栅极电极的三极体配置，但其它配置是可能的。提取器130A通常形成于沉积于衬底121上的电介质层128(其包括一个或若干个绝缘层)的顶部表面上。可在更复杂的发射器设计中利用两个或两个以上栅极层(未展示)，其中将多个电介质层用作循序形成的栅极层中间的间隔件。在此实施例中，每一栅极电极将具有不同功能。仅一个电极将充当提取器，而另一栅极(或若干栅极)可(例如)用于控制电子束的发散角。将提取器130A放置为靠近发射尖端127允许从低电压(例如在约30V与约200V之间的电压)产生足够强的电场，此具有通过可缩短发射器的寿命的高能离子最小化发射器的回轰的优点。由于将提取器130A放置为靠近发射尖端127，提取器130A中界定的孔隙134A应与发射尖端127精确对准。例如，孔隙134A的中心可在孔隙134A的直径的约5％或更小内与发射尖端127对准。包含一或多个栅极(电极)的场发射器阴极结构及制造此类结构的方法的更多细节可在H.嶋脇(H.Shimawaki)等人的“来自p型硅发射器的激光诱导电子发射(Laser-induced Electron Emission from p-type Silicon Emitters)”，技术文摘，2014年第27届国际真空纳米电子会议，第2页到第27页，A.小池(A.Koike)等人的“装备有用于控制发射角度的抑制器的场发射器(Field Emitter Equipped with a Suppressor to Control Emission Angle)”，IEEE电子装置快报,第34卷，第5号，2013年5月，第704页到第706页及M.长尾等人的“具有内置单透镜的场发射器阵列的制造(Fabrication of a Field Emitter Array with a Built-in Einzel Lens)”，日本应用物理杂志，第48卷，2009年，06FK02中找到。所有这些文献以引用的方式并入本文中。

图3说明根据本发明的另一实施例的电子源100B。电子源100B包含外壳111，所述外壳111含有场发射器110B、光子束源140B及控制电路150B。

外壳111围绕低压腔室114形成且包含真空泵115(例如离子泵或吸气泵)，所述真空泵115经配置以将腔室114维持于高于外侧外壳111的真空条件(即，更低压)下。场发射器110B安置于腔室114中且包含发射器阴极120B、具有孔隙134B-1的提取器130B-1及具有孔隙134B-2的阳极130B-2。场发射器阴极120B形成于硅衬底121上，所述场发射器阴极120B具有安置于输出(顶部)表面122上的场发射器突出部124，且至少在突出部124的表面上方形成涂层129。提取器130B-1定位于顶部表面122上方，且经配置以如上文参考图2描述那样操作。阳极130B-2安置在距发射尖端127至少1mm的偏移距离Dta处，且相对于场发射器阴极120B维持于至少500V的正电压VDC2。电子源100B可进一步包含具有相关联孔隙134B-3的一或多个额外任选电极130B-3。任选电极130B-3可包含一或多个聚焦电极、一或多个偏转器、像差补偿器及/或束消隐器。额外电极130B-3被描绘为定位于阳极130B-2上游(即，更靠近场发射器阴极120B)，但可在必要时放置在阳极130B-2的上游或下游以实现期望功能及性能。提取器130B-1、阳极130B-2及任选电极130B-3经配置使得发射电子113-3形成电子束112B，所述电子束112B通过孔隙134B-1、134B-2及134B-3且经由小开口116出射腔室114，所述小开口116经定大小使得其限制气体扩散到腔室114，且使泵115能够将腔室114维持于期望低压。在一些实施例中，电子源100B包含磁性透镜(未展示)，所述磁性透镜用于聚焦及/或偏转电子束112。

光子束源140B包含光源(例如，激光器或其它照明装置)141B、任选聚焦设备144B及任选光调制装置145B。在此配置中，光源141B及光调制装置145B被描绘为安置在外壳111外侧，且聚焦设备144B被描绘在腔室114内侧。在其它实施例中，聚焦设备144B的一或多个元件可定位于外壳111外侧，或光源141B及光调制装置145B中的一者或两者可安装在腔室114内侧。光源141B产生光子束，所述光子束照明场发射器阴极120B。出于描述性目的，在界定光子束路径的三个区段中识别光子束，其包含从光源141B延伸到光调制装置145B的第一光子束区段142-1、从光调制装置145B延伸通过窗117(或外壳111的壁中的其它透光特征)到光学器件144B的第二光子束区段142-2以及从光学器件144B延伸到场发射器阴极120B的第三/末端光子束区段142-3。在一个实施例中，光源141B经配置以产生在可见光或UV波长范围内(即，在250nm到700nm之间)的波长的光子143，其中沿着末端光束部分142-3引导到场发射器阴极120B上的光子143的大分率由靠近发射尖端127的表面定位的硅原子吸收，借此针对给定光子束强度Ip进一步增强光电子的产生。聚焦设备144B由一或多个光学元件(例如透镜及/或镜)及共同配置以形成聚焦光学器件的相关联定位结构实施，所述聚焦光学器件聚焦由光源141B产生的光子143及/或将其沿着光子束路径引导，使得末端光子束区段142-3经引导到场发射器阴极120B上。当由光源141B执行所有必要的聚焦及引导功能时可省略聚焦设备144B。光调制(LM)装置145B(例如，电光调制器或声光调制器)经配置以(例如)经由响应于光调制控制信号LMC选择性地不阻挡或转向光源141B与场发射器阴极120B之间传输的光子通量，阻挡或转向光源141B与场发射器阴极120B之间传输的一些或全部光子通量而调制光子束(即，使得末端光子束区段142-3具有选定强度Ip3)。例如，当光调制控制信号LMC具有“去激活”值时，光调制装置145B经配置以将大体上所有光子143传递到场发射器阴极120B(即，束区段142-1的强度Ip1大体上等于束区段142-2的强度IP2，其又大体上等于束区段142-2的强度Ip2)。相反地，当光调制控制信号LMC具有“完全激活”值时，光调制装置145B经配置以阻挡大体上所有光子143到达场发射器阴极120B(即，强度Ip2及Ip3大体上为零)。当光调制控制信号LMC具有“部分激活”值时，光调制装置145B经配置以阻挡由光源141B产生的光子143的对应部分(即，强度Ip2比强度Ip1低达由光调制装置145B的部分激活电平确定的量)。当通过光源141B以下文描述的方式执行所有必要光调制功能时可省略光调制装置145B。使用电光或声光调制器的光调制的一个优点是，此类调制器可在几百MHz或几GHz的频率下进行调制，从而允许电子束的快速调制或切换。相比来说，一或多个电极的电调制实际上可限制于几MHz或几十MHz，这是因为电极的大电容将需要非常高的驱动电流，以便快速地改变其电压。

控制电路150B经配置以通过控制末端光子束区段142-3的强度Ip3而调制从电子源100B发射的电子束112B的发射电流Ie，所述控制末端光子束区段142-3的所述强度Ip3又通过控制光源141B(例如，使用光源控制信号LSC)及光调制装置145B(例如，使用光调制控制信号LMC)中的至少一者实现。在一个实施例中，控制电路150B通过以上文描述的方式控制传递通过调制器145B的光子通量的数量而控制光子束强度Ip3。例如，控制电路150B产生且传输光调制器控制信号LMC，其具有对应于期望强度电平的值(例如，电压电平)(例如，使得由调制器145B阻挡的光子的分率与光调制器控制信号LMC的电压电平成比例)。在其它实施例中，光源141B经配置以产生具有强度Ip1的第一光子束区段142-1，所述强度Ip1可响应于光源控制信号LSC在关(零)与完全(最大)强度电平之间调整，控制电路150B通过改变光源141B的操作功率电平而控制光子束强度Ip3(例如，控制电路150B经由增加/降低光源控制信号LSC的电压电平而使光源141B增加或降低强度Ip3)。

电子源100B包含可操作地安置以测量电子束112B的发射电流Ie的至少一个监测器160B-1及/或160B-2。示范性电流监测器160B-1经电连接到阳极130B-2，其中示范性监测器160B-1经可操作安置以测量撞击于阳极130B-2上且未通过孔隙134B-2的发射电流Ie的部分。阳极130B-2可经配置使得孔隙134B-2用作限制出射电子源的电子束112B的角散布及直径的束挡止孔隙(beam stop aperture)。在此情况中，由场发射器110B发射的电流的大分率(例如大于50％)可由阳极130B-2挡止。因此，虽然由160B-1监测的电流并非整个发射电流，但其与总发射电流强相关且可用于控制且稳定总发射电流。替代地或另外，电流监测器160B-2监测来自场发射器阴极120B的发射电流。在其它实施例中，监测器可连接到其它电极(例如，电极130B-3，或安置于开口116下游的束挡止电极)。监测器160B-1及160B-2经可操作地配置(使用已知技术)以产生通过发射电流Ie的经测量数量确定的电流测量值165B。控制电路150B经配置以接收且利用发射电流测量值165B作为反馈信号以通过以上文描述的方式控制光源141B或光调制装置145B根据选定调制方案(下文论述)调整光子束末端区段142-3的强度Ip3。

如上文提及，控制电路(控制器)150B经配置以根据选定调制方案(方法)经由控制光子束源140B而调制电子束112B。根据一个此调制方案，控制电路150B利用发射电流测量值165B作为反馈信号来维持或调整电子束112B以维持选定目标发射电流电平。为了使用电子源100B实施此调制方案，控制电路150B经配置以经由发射电流测量值165B连续地监测发射电流Ie，且调整光子束源控制信号(例如，光源控制信号LSC或光调制控制信号LMC)，以引起末端光子束区段142-3的强度Ip3的校正性改变。如上文提及，例如归因于由发射尖端127上的污染引起的发射器功函数变化，发射电流Ie可经历固有电流波动。在一个示范性实施例中，当发射电流测量值165B的电平/值的降低指示已发生此改变时，控制电路150B接着利用发射电流测量值165B来将光源控制信号LSC修改为使光源141B增加光源的输出功率的值(例如，电压电平)，借此增加从光源141B发射的光子束区段142-1的强度Ip1，此又增加电子束112B的发射电流Ie。在另一示范性实施例中，控制电路150B利用降低的发射电流测量值165B来将光调制控制信号LMC修改为使光调制装置145B允许光子束区段142-1的较大部分通过的值，从而增加强度Ip2。在两种情况中，增加的光子束强度被传递到场发射器阴极120B，导致电子束112B的发射电流Ie的对应增加。重复监测发射电流测量值165B的所得变化并将后续控制信号变化传输到光子束源140B的过程，直到电子束112B的发射电流Ie已返回到目标电平。

图4描绘根据另一实施例的部分电子源100C。电子源100C与电子源100B(图3)类似，其中电子源100C包含安置在低压腔室114中的场发射器110C，且还包含光子束源(未展示)及控制电路(未展示)，其经配置以按上文参考图3描述的方式操作。类似于场发射器110B(图3)，场发射器110C包含具有突出部124的阴极120C、邻近于发射尖端127安置的提取器130C-1、经定位与发射尖端127相距距离Dta的阳极130C-2以及以上文描述的方式产生发射电流测量值165C的一对监测器160C-1及160C-2。电子源100C与电子源100B的不同之处在于阳极130C-2安装到外壳111的下壁上，使得孔隙134B-2不需要单独的差分泵送孔隙(即，图3中展示的开口116)。即，孔隙134C-2既充当差分泵送孔隙又将电子束112C传输出外壳111。为了促进将阳极130C-2维持于不同于外壳111的电势，阳极130C-2经由绝缘体137附接到外壳111的下壁，所述绝缘体137还用于维持使低压腔室114能够维持于期望低压的真空密封。类似于参考图3描述的电子源100B，电子源100C可任选地进一步配置以包含额外电极或磁透镜(未展示)。

图5A及5B描绘根据另一示范性实施例的电子源100D的部分，其中根据高/低或开/关调制方案调制电子束112D。类似于先前实施例，场发射器阴极120D形成于硅衬底121D上，且包含涂层129D，所述涂层129D连续覆盖一体化突出部124D的发射尖端127D，阳极(电极)130D由电压源VDC3维持于在发射尖端127D处产生电场EC的正电压电平，且光子束源140D经配置以根据从控制电路150D(未展示)接收的控制信号产生引导到发射尖端127D附近的突出部124D上的光子束142D。在此实施例中，电子源100D在对应于两个不同电子束发射电流目标电平的两个操作状态之间周期性地切换，此在分别在图5A及5B中描绘的两个连续的不同时间段期间发生。具体来说，图5A展示当以相对低(第一)发射电流电平Ie0产生电子束112D时的第一时间段T0期间处于第一操作状态的电子源100D，且图5B展示当以相对高(第二)发射电流Ie1产生电子束112D时的第二时间段T1期间的电子源100D，所述发射电流Ie1大于(greater/larger)发射电流Ie0。图5A及5B经由指示在第一时间段T0期间相对低的发射电流Ie0为零或大体上为零而具体描绘在实施开/关调制方案期间的电子源100D。当电子源100D经配置以实施高/低调制方案时，相对低的发射电流Ie0可大体上大于零，但小于发射电流Ie1。

为了实施图5A及5B中描绘的高/低或开/关调制方案，控制电路150D经配置以经由控制光子束源140D，使得光子束142D在相对低(第一)强度(例如，Ip0≈0，如图5A指示)与相对高(第二)强度(例如，Ip1>>0，如图5B指示)之间周期性切换而调制电子束112D。具体来说，图5A指示控制电路150D在时间段T0期间产生且传输第一光子束源控制信号(例如，PBSC＝0)到光子束源140D，且图5B指示控制电路150D在时间段T1期间产生/传输不同(第二)光子束源控制信号(例如，PBSC＝1)到光子束源140D。如在图5A中指示，响应于第一光子束源控制信号(PBSC＝0)，光子束源140D产生相对低强度Ip0的光子束142D，使得相对少量(例如零个)光子传输到发射器阴极120D上，借此产生相对少量(例如，零个或最少量)光辅助场发射，其中电子束112D由发射器阴极120D以相对低的发射电流Ie0产生。换句话说，如果在时间段T0期间将零个光子传输到发射器阴极120D，那么发射器阴极120D仅通过由电场EC提供的提取场产生电子束112C，其中发射电流Ie0相对低。相比来说，如在图5B中指示，光子束源140D响应于第二光子束源控制信号(PBSC＝1)以相对高强度Ip1产生光子束142D，使得在第二时间段T1期间将相对大量光子传输到发射器阴极120D上，其中发射器阴极120D使用由电场EC所提供的提取场产生的电流与由光子束142D产生的能量/电子的组合产生电子束112D，此又使电子束112D在时间T1期间具有相对较高的发射Ie1(即，相较于时间T0期间的发射电流Ie0)。

在一个实施例中，图5A及5B中描绘的调制方案用于清除来自尖端127D的污染物。在常规冷场发射器中，尖端温度可提升以导致污染物从尖端蒸发(闪蒸)。此过程是缓慢的，因为尖端需要几秒来加热，且接着尖端需要维持于较高温度下达足够长时间，以使污染物离开尖端，此可花费几毫秒或几秒，接着需要允许尖端冷却，此可花费几秒到几分钟。此外，归因于热膨胀及收缩，尖端及支撑它的结构的机械尺寸随温度变化。因为尺寸及尖端位置的变化改变发射电流，因此通常需要额外时间来允许尖端发射在闪蒸之后稳定。在本发明的一个实施例中，使用高电流来从尖端127D驱离污染物。当电流为高(例如1μA或几μA)时，电极可频繁与污染物碰撞，且可使污染物脱离。此可在小于几微秒或短到几纳秒的时间段中发生。在此短时间段之后，光子束强度可降低到较低值且可恢复正常系统操作。由于清洁所需的时间极短，因此对系统性能的影响可最小或为零。例如，当在短时间内未收集到数据时，可在扫描线或扫描框的结尾实施用于清洁的高电流，使得清洁不导致获取图像的时间改变。高电流(例如大于1μA的电流)如果长时间使用则可损坏尖端127D，这是由于尖端127D可变得非常热并可变形。但如果高电流仅存在几微秒或更短时间，那么加热效应将最小，且将不导致尖端损坏。

根据其中电子源100D经配置以实施开/关调制方案的特定实施例，所述方案利用以下特征。首先，发射器阴极120D经制造于p型掺杂衬底121D上，且涂层129D是p型材料(例如，硼)，且阳极130D经配置以在场发射器阴极120D的发射尖端127D处产生电场EC，使得场发射器阴极120D的电势势垒高度(导带)维持于高于在发射尖端127D处的场发射器阴极120D的费米能级的电平，借此在第一时间段T0期间最小化或消除来自发射尖端127D的电子发射(即，当光子束142D的强度Ip0最小化时，电子束112D的发射电流Ie0为零或几乎为零)。在半导体中，在电子浓度由局部掺杂度及电势确定的情况下，可配置场发射器以如在p-n二极管中那样在反向偏压模式中操作，其中耗尽层归因于所述发射器表面处的高电场而产生。真空与p型掺杂场发射器之间的界面可形成p-n接面，其中真空被视为n型介质。在此情况中，导带及价带将在所述表面处向下弯曲。如果电场足以使导带的最低能级低于费米能级，那么发射尖端的顶点处将存在丰富电子且产生约nA到μA的电流。根据图5A及5B中展示的开/关调制方案，电场EC维持于恰高于费米能级，使得在省略光子束142D时(例如，当光子束源140D关闭时，如图5A中指示)不发射电子。如在图5B中指示，在时间段T1期间，电场EC还维持于此电平，但在此情况下，当具有能级/波长λp的入射光子143产生电子-空穴对EHP时产生的光电子113-2将被强烈吸引朝向发射尖端127D，且许多此类光电子将被发射以提供具有期望发射电流Ie1的电子束112D。

图6在横截面视图中说明根据又一替代性实施例的场发射器阵列(FEA)多电子束源的硅场发射器110E。类似于上文参考图2描述的实施例(场发射器110E)，提取器(电极)130E经由形成在硅衬底121E的顶部表面122E上的电介质层128E固定地安置于发射器阴极120E上。在此情况中，发射器阴极120E包含多个场发射器突出部(例如，突出部124E-1及124E-2)，其以二维周期性图案布置且分别一体连接到硅衬底121E的顶部(输出)表面122。场发射器突出部124E-1及124E-2分别安置于电介质层128E中形成的开口中，且形成提取器130E，使得孔隙134E-1及134E-2分别围绕发射器突出部124E-1及124E-2。在操作期间，每一发射器突出部124E-1及124E-2经受从提取器(栅极)130E施加的电场，并从光子源(未展示)接收光子，以用于使用所描述方法分别调制从发射尖端127E-1及127E-2发射的电子束的目的。尽管提取器130E被描绘为单一连续层，但其可划分为对应于个别发射器突出部124E-1、124E-2等的区段，使得可施加单独的提取电压到每一发射器区段，以允许个别控制施加到每一发射尖端的电场。场发射器阴极100E的其它材料及尺寸可类似于图2所说明的场发射器阴极110A的材料及尺寸配置，且将不在此处单独描述。

图7说明根据本发明的另一示范性实际实施例的简化电子源100F。类似于先前实施例，场发射器110F包含如上文描述那样操作的阴极120F及提取器130F-1。在此实施例中，光子束源140F包含光源141F，所述光源141F经配置以产生至少一个光子束142F，所述至少一个光子束142F由聚焦设备(光学器件)144F引导到场发射器110F上，以用于根据上文提及的任何调制方案调制(控制)电子束112F的目的。电极130F-2放置在距场发射器表面的一定距离处，以用于在场发射器110F的表面与阳极130F之间用高电压源(例如在约1kV与约10kV之间的加速电压)产生加速场。阳极130F-2具有孔隙134F-2，所述孔隙134F-2可经配置为允许电子束112F的部分通过的束挡止件。换句话说，发源于场发射器110F的电子经引导通过阳极130F-2中的孔隙134F-2以形成出射电子源100F的电子束112F的至少一部分。在一个实施例中，电子束112F的部分撞击于阳极130F-1上，且监测器160F可操作地配置以经由与阳极130F-1接触感测或以其它方式测量在操作期间的每一时刻的电子束112F的发射电流，并产生且传输对应发射电流测量值165F到控制电路150F。控制电路150F经配置以经由根据发射电流测量值165F的变化及选定调制方案控制光子束源140F以调整(例如，增加或降低)光子束142F的强度而调制电子束112F。

参考图7的下部分，额外电极130F-3定位于阳极130F-2下游(即，沿着电子束112F的路径)，且包含孔隙134F-3，电子束的末端部分112F-3通过所述孔隙134F-3。电极130F-3可经配置以充当束挡止件，即，孔隙134F-3可足够小以限制通过其的电子束部分112F-3的角度范围。替代地，孔隙134F-3可足够大以使从阳极130F-2接收的大体上所有电子束部分112F-2通过。在一个实施例中，电极130F-3由金属(例如铝或银)制成，且包含弯曲(例如，抛物面)镜面149(其与准直透镜146一起形成聚焦设备140F的部分)。电极130F-3相对于光源141F及场发射器110F定位且布置，使得光子束142F由弯曲镜面149重定向且聚焦到场发射器110F的输出表面上(例如，场发射器110F的发射尖端放置在由弯曲镜面149形成的抛物线的焦点处，且来自光学器件146的入射光束大体上被准直)。高电压源可用于相对于场发射器阴极120F及阳极130F对电极130F-3加偏压，使得电子在通过阳极130F-2后加速。在替代性实施例中，可省略阳极130F-2且控制器150F可监测在电极(束挡止件)130F-2中流动的电流。在另一实施例中，用于引导且聚焦光子束142F的光学器件与任何电极及孔隙挡止件分离。为简洁起见，省略可用于SEM系统中的其它结构及元件。

在源100F的操作期间，控制器150F经由控制光子束142F的强度而调制电子束112F的发射电流，所述光子束142F由光源141F根据选定调制方案产生并经由抛物面镜149引导到发射器阴极110F上。光源141F可包括激光二极管、脉冲激光器、连续波(CW)激光器或灯。由光源141F产生的光子的波长可在可见光或UV波长范围中。光子束142F可由聚焦设备144F(例如，准直透镜146)准直，所述聚焦设备144F还用于经由抛物面镜149将光子束142聚焦/引导到场发射器阴极110F上，使得聚焦光子束通过阳极130F的孔隙136F。光子束142F的光子协助以上文描述的方式从场发射器阴极110F的表面释放电子。光子束142F的强度可由控制器150F经由控制光源141F(例如，使用光源控制信号LSC)或经由控制光学调制器145F(例如，使用光调制器控制信号LMC)调整。当需要对电子发射的高频(例如大约100Mhz或更高的频率)控制时，光调制器145F优选地为电光调制器。形成聚焦设备140F的透镜及镜的组合说明光子束源的一个实例可经配置以控制来自场发射器的电子发射。透镜、平面镜及/或曲面镜的其它组合可经配置以将光子束引导并聚焦到场发射器阴极上。

图8说明示范性检验、度量或检视扫描电子显微镜(SEM)系统(装置)200，其经配置以检验、测量或检视样本231，例如半导体晶片、光罩或光掩模。SEM系统200一般包含电子柱，所述电子柱包括电子枪(电子源)100、上柱241及下柱242，所述下柱242将一次电子束112聚焦且引导到样本231上。

电子枪100根据上文陈述的任意实施例配置为包含场发射器110(其包含场发射器阴极120及提取器130)、一或多个电极132、光子束源140及控制器(控制电路)150。如上文陈述，场发射器阴极120包含具有一体化发射器突出部124的硅衬底121，所述发射器突出部124具有安置于其远端处的发射尖端127，且提取器130经配置以在发射尖端127处产生提取(电)场E，并使从发射尖端127发射的电子形成为通过孔隙134且到上柱241中的一次电子束112。光子束(PB)源140及控制器150如上文描述那样用于促进一次电子束112从电子枪100的光子辅助场发射。即，控制器150任选地使用上文论述的任意方法监测一次电子束112，且经由光子束源控制信号PBSC控制PB源140，使得光子束以强度Ip将光子束142施加到发射器阴极120上，所述强度Ip使发射器阴极120凭借从计算机系统280接收的发射Ie发射一次电子束112(如下文描述)。电极132可包含一或多个聚焦电极、一或多个偏转器、像差补偿器及/或束消隐器。电极132中的一者经配置为阳极以在电子束112中的电子已从发射尖端127提取之后加速所述电子。阳极可经配置以作为束挡止件操作。替代地或另外，束挡止件可被包含于上柱241中。

上柱241包括包含一或多个聚光透镜207的电子光学器件，所述一或多个聚光透镜207缩小一次电子束112以在底层样本231上产生撞击电子的小光点。一或多个偏转器(DEF)205可放置于聚光透镜207的任一侧上。上柱241可进一步包含其它电子光学器件，例如像差补偿器或束消隐器。下柱242包括包含最终透镜210的电子光学器件，所述最终透镜210用于将一次电子束112聚焦于样本231上的小光点。下柱242还包含一或多个偏转器209，所述一或多个偏转器209与偏转器205(如果存在)组合工作以使一次电子束扫描遍及样本231的区域。样本231放置于载台230上以便促进样本231的不同区在电子柱下方的移动。当一次电子束112撞击样本231时，从样本231发射二次电子及反向散射电子。二次电子可由电极220收集且加速，且引导到二次电子检测器221。反向散射电子可由反向散射电子检测器(例如在222a及222b展示的检测器)检测。

计算机系统280控制电子源100以及上柱241及下柱242的电子光学器件，并从二次电子检测器221、反向散射电子检测器222a及反向散射电子检测器222b中的至少一者接收数据。计算机系统280还控制载台230。计算机系统280使扫描电子显微镜执行使用来自一或多个检测器的数据的样本231上的一或多个区域的检验、测量或检视。计算机280引导控制器150以按上文陈述的方式产生选定电子束电流。

虽然被描述为一体化于SEM中，但本文公开的电子源还可被并入其它装置中，例如，电子束光刻系统或X射线源。电子束光刻系统可包含经配置以缩小一次电子束且将一次电子束聚焦于目标上的电子光学器件及用于调制电子束的强度的调制器。X射线源可包含经配置以将电子束引导到经配置以发射X射线的阳极的电子光学器件。

所属领域的技术人员将了解对所描述的实施例的各种修改，且本文中定义的一般原理可应用于其它实施例。例如，额外电极可放置成靠近电子发射器以控制发射及/或在特定方向上聚焦且引导经发射电子。虽然预期本文公开的光调制电子源将在各种类型的扫描电子显微镜及电子束光刻系统中尤其有用，但还设想此源可在其中需要稳定、高辐射及/或高电流电子束的其它应用中(例如在高亮度X射线产生器中)是有用的。

本文描述的电子源及方法并不意在限于所展示且描述的实施例，而应符合与本文中公开的原理及新颖特征一致的最广泛范围。因此，本公开被视为仅受限于所附权利要求书及其合理解释。