专利名称：带有集成静电能量过滤器的带电粒子源的制作方法
技术领域：
本发明涉及带有集成静电能量过滤器的带电粒子源，该带电粒子源用于带电粒子设备中，该带电粒子源包括
带电粒子发射器，其用于产生绕轴线的带电粒子束，
束限制孔口，其用于选择由发射器所产生的束的部分，该束限制孔口位于轴线周围，从而选择该束的轴向部分，
在能量选择膜片中的能量选择孔口，其用于从通过束限制孔口的束的部分选择具有所需能散度的粒子，
电极，其用于在能量选择膜片上形成带电粒子发射器的焦点；以及 电极，其用于产生静电偶极场以使得束偏转。
背景技术：
这种粒子源从美国专利No. 6，770，878已知，其描述了带有集成欧米伽(omega) 过滤器的带电粒子源。该带电粒子源包括离子或电子发射器，诸如肖特基发射器，其沿着轴线以锥形发射带电粒子。束限定孔口选择束的轴向部分且聚焦电极使得该源进一步沿着该轴线成像。充当偏转器的第一半球形电容器使得轴线弯曲，之后第二半球形电容器使得轴线平行于其原始方向弯曲，但移位。第三半球形电容器和第四半球形电容器使轴线往回弯曲使得其与其原始方向平行且对准，即在其进入第一偏转器之前。过滤器的轴线因此类似希腊字母Ω，因而得其名。在第二偏转器与第三偏转器之间，之前提到的聚焦电极形成该源的像散图像。由于轴线偏转，图像示出能量色散。能量选择孔口或狭缝放置于图像平面中，且从该束选择具有所需能散度的该束的一部分并传输，同时拦截能散度在所需能散度之外的电子。因此，显然，电极表面的机械对称轴线遵循过滤器的光轴。应当指出的是使已知源以两种方式之一操作第一设置，其中利用半球形电容器使轴线和因此束弯曲来实现能量过滤使得图像形成于能量选择孔口上；和第二设置，其中未激发四个半球形电容器，且轴线从发射到源输出的带电粒子直直延伸穿过在第一电容器和第四电容器中的小孔。在此第二设置中，不发生能量选择。已知源的缺点在于半球形电容器为离轴的，且机械加工并对准形成这些半球形电容器的机械部件是复杂的。在US6，770，878中所讨论的过滤器的一般化形式在美国专利申请No. 2008/0290273 Al中公开。此处不仅讨论了 Ω过滤器，而且也讨论了 α过滤器，其为消除像散所需的光学器件。根据本申请，本领域技术人员(专家)必须首先选择单色仪的轴线形状，例如Ω或α，导致针对US 6，770，878所述的类似缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供这种缺点的补救。
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为此目的，根据本发明的带电粒子源的特征在于带电粒子发射器、聚焦电极和偏转电极绕直轴线布置。本发明是基于以下见解尽管带电离子束显著地偏离轴线，源的适当设计允许其中电极(包括多极)绕直轴线居中的设计。这与本领域技术人员的以下认识或甚至偏见相反在可能的情况下，电极应绕束居中以得到无(例如)像散和彗差的模块。本发明还基于以下见解通过将所有的电极放置于相同直轴线上，电极能由机械加工方法形成，机械加工方法适合于以高准确度形成同心部件。本发明者认识到能通过首先安装金属板，从金属板将电极制到彼此上(由例如钎焊到电极的合适陶瓷或模制到它们上的环氧树脂使它们彼此分隔且电绝缘)来接合机械部件。诸如使用火花腐蚀或使用车床的同心机械加工方法然后得到高度同心的电极。因此，随后安装发射器和膜片(包括能量选择狭缝)因此导致具有高度同心性和因此较小旋转误差的源。如本领域技术人员已知的那样，需要具有较小旋转误差的产品来实现小像差。与非同心设计中相当的位置误差相比，通过将部件形成为同心部件来形成具有小旋转误差的源更容易且因此更便宜。应当指出的是平行于电极平面的位置误差(因此，在ζ方向中的移位)并不导致较大误差且在许多情况下能由模块的略微不同的激发补偿，导致例如聚焦电极的略微不同的透镜作用。提到从美国专利No. 7，034，315已知的带集成能量过滤器的另一粒子源。此处， 发射器和透镜放置于轴线上，且束限定孔口选择由该源发出的束的偏心(离轴)部分。束的此偏心部分说明透镜偏心且透镜形成束的偏心部分的焦点。由于束是偏心的，所形成的焦点示出色像差，得到具有能量色散的线焦点。通过现在将能量选择狭缝放置于所形成的焦点中，仅具有选定能量的电子通过狭缝传输。偏转器用于使得电子沿着轴线偏转。这种源的缺点在于离开该源的电子对于不同能量示出虚拟光斑的不同位置。换言之由此源产生的电子看起来从一位置发出，该位置取决于电子能量且形成一种虚拟“彩虹”源。另一缺点在于发射器必须具有发射模式，其导致在所用偏心接受角处的高亮度。此源的另一缺点在于在狭缝上的发射器的图像示出彗差到了使落到狭缝上的电流量且由此通过狭缝传输的电流也必须受到限制的程度。提出图像大小不应大于能量色散，否则不能实现能量选择。优选地，根据本发明的源的能量选择孔口形成为MEM结构中的狭缝。由于束从轴线偏离较小，通常在Imm与5mm之间，能量色散也较小，通常在1 μ m与 5 μ m之间。这需要宽度大约100 nm的小狭缝，其最佳地使用半导体材料在MEMS工艺中做
出ο应当指出的是该源的能量色散取决于电极的激发和物理形式和位置且可使用其它传输的能散度，离开能量等。出于光学器件讨论目的，电极效果在两个部分最佳地讨论第一部分，前置狭缝光学器件，包括在发射器与膜片之间的电极，和后置狭缝光学器件，包括在膜片另一侧上的电极。通过将前置狭缝电极中的一个或多个形成为生成偶极场和(弱)四极场的四极，可取消在膜片上发射器图像的像散和/或彗差，且当需要时，可使得在X方向和Y方向中的(绝对) 放大相同使得在狭缝平面上的发射器图像为圆形图像。
类似于前置狭缝光学器件，后置狭缝光学器件(由后置狭缝电极形成)可完全取消残留彗差和像散，以及从狭缝上的图像到离开源模块的束满足条件I Mx I = I My I，因此，离开该源模块的束从圆形虚拟光斑发出，无彗差和像散。通过使得束偏转回到该轴线上，能取消能量色散，因此，离开该源的束对于所有能量示出相同虚拟位置，与在美国专利No. 7，034，315中所描述的源相反。在根据本发明的带电粒子的另一实施例中，膜片包括至少两个能量选择孔口，能量选择孔口具有不同尺寸和/或离轴线不同的位置。通过使得膜片配备在不同位置的不同孔口，能量色散和/或狭缝宽度可对于该至少两个孔口不同，从而允许至少两种不同能量宽度和因此所传输束的不同电流。在根据本发明的带电粒子源的优选实施例中，能量选择膜片包括至少两个能量选择孔口，一个孔口位于轴线处以使中央束通过而不进行能量过滤。当偏转器电极通电时，该源为单色化源，产生具有低能散度，但常常也具有低电流的带电粒子束，因为带电粒子的部分由能量选择膜片阻止。通过提供中央孔，优选地具有大于膜片上发射器图像直径的直径，当偏转电极不通电时能由该源产生更大电流。或者，孔口用作束限制孔口，限制束电流为所需值。在该情况下，交叉并不位于孔口中。在根据本发明的带电粒子源的又一实施例中，粒子发射器为下列电子源热电子源、热场发射器、冷场发射器、肖特基发射器、碳纳米管和半导体发射器；或者下列离子源 液态金属离子源，气体离子源和液态氦源。在根据本发明的带电粒子源的又一实施例中，在使用中，形成于能量选择膜片上的图像的彗差具有小于发射器的几何图像大小的直径。通过设计和操作该源使得形成于能量选择膜片上的图像彗差小于发射器的几何图像，孔口下方的能散度不受所述彗差影响(降级)。在根据本发明的带电粒子源的又一实施例中，存在额外电极用于形成所述发射器与所述能量选择膜片之间的交叉(cross-over)。通过添加额外透镜电极，能放大或缩小在能量选择膜片上发射器的图像。这允许在几何图像大小与能量色散之间权衡。本领域技术人员应了解具有大直径的发射器，诸如 LaB6源，优选地缩小使得在图像大小与能量色散之间的比率更有利。另一方面，冷场发射器优选地放大使得在膜片处的几何发射器图案更大，且在所述直径与(离轴)像差之间的比率更有利(更易于使得像差小于几何光斑大小)。而且冷场发射器的张开角的相关联缩小为优点，因为这将导致更小像差以及其它效果。带电粒子源能用于配备扫描电子显微镜镜体和/或传输电子显微镜镜体和/或聚焦离子束镜体的仪器中。
将基于附图来进一步描述本发明，由此相同的附图标记指示相对应的元件。在此方面
图1示意性地示出根据本发明的粒子源的第一实施例； 图2示意性地示出由粒子源产生的能量分布；图3示意性地示出120° /60° /120° /60°分段电极；以及图4A和图4B示意性地示出根据本发明的粒子源的第三实施例。
具体实施例方式图1示出根据本发明的粒子源的第一实施例。图1示出粒子源1M，其包括带电粒子发射器102，在此实施例中为肖特基发射器。由于提取器112所产生的提取场，发射器发射绕轴线104的带电粒子束106。提取器112也充当束限制孔口，仅传输由发射器发射的电流的部分。由于该束在χ方向中偏转，示出该束的投影，在χ平面上的投影106a和在y平面上的投影106b。由于在电极112、114与116之间生成的轴向聚焦场，该束聚焦于能量选择膜片110上。应当指出这些电极并不形成单电位透镜，换言之电子离开电极116所带的能量并不与它们进入电极112所带的能量相同。该束由电极116所生成的偏转场从轴线偏转且导向至能量选择孔口，能量选择孔口优选地呈狭缝108的形式。狭缝在位置(X，y, ζ) 离轴放置，其中x=l. 67 mm, y=0 mm和z=4. 8 mm，但也可使用其它位置。在图示实施例中， 以大约4*放大的发射器的双重焦点(即，圆形图像)形成于狭缝上，但也可使用其它放大。在通过孔口之后，由电极120生成的偏转场使束偏转回来朝向轴线。电极122使得轴线104上的束偏转，因此，束平行于轴线离开带电粒子源。由在电极120、122与IM之间出现的场发生微小聚焦，因此，虚拟交叉并不与膜片110位置相同。光学误差最佳地分成两组前置狭缝误差，负责在能量选择膜片上形成的图像误差，和后置狭缝误差，负责在虚拟图像中从膜片到源端部的误差，优选地保持良好(虚拟)图像且取消能量色散。为了消除前置狭缝彗差，由电极114、116、120和122生成偶极和四极场，其中，偶极场用于消除彗差，且四极场主要用于校正由于束偏转所造成的像散。由于这种设计的几何性质，Mx=My，且仅需要一个前置狭缝四极场，如在表1中所示(电极116)。为了能使用高束电流而不进行能量过滤，可提供中央孔口 126 (在轴线104上，因此具有位置(X，y, Z)，其中x=y=0mm且z=4.8mm)。在此情况下，束并未偏转，且彗差和偏转像散校正也并非必需的。此孔口的直径能大于能量选择孔口的直径，因此传递撞击于膜片上的所有电流。在分段电极上的电压通常导致大量多极激发。忽略边缘场(因此假定无限长度的多极)，在轴线的轴向电位Φ可写为r (离轴线的距离)和
φ (角定向)的函数
Φ(ηφ) = ci)0 + Xi1Tf Re[ci),e^] [-H
A*=l 只
其中，为多极数，R为电极孔半径且cf)t为多极的激发(还进一步被称作多极的傅
里叶电压)。应当指出的是k=l对应于二极，k=2对应于四极，k=3对应于六极，k=4对应于八极等。由·(/ ，$)等于(分段)电极的电压分布的边界条件确定傅里叶电压(I),。在120° /60° /120° /60°分段多极的特殊情况下，通过向120°区段(以角定向)之一施加i ν电压，向相反区段(以角定向+π )施加一~— V利用IV多极激发(傅
f2v3f2v3
里叶电压)的二极场产生而不激发四极或六极，且将两个60°区段接地。由于120° /60° /120° /60°对称性，并不激发六极场(k=3)，但也可激发更高阶 (奇数)多极(k=5,..)。如本领域技术人员已知的那样，对于更高阶多极数，激发变得更小，且其效果变得可忽略。
ππ同样，通过向两个120°区段施加，，V电压和向60°区段施加 、V电压，生
6\33ν 3
成IV多极激发(傅里叶电压)的四极场(k=2)。应当指出的是，在此情况下，激发更高阶多极。应当指出的是恒定电压可添加到所有区段而不会改变多极激发。这可需要向沿着轴线行进的带电粒子束施加恒定电压，或者在相邻电极之间生成电场，从而生成沿着轴线的电场用于圆形透镜激发。对于圆形透镜，电极所有区段的激发是相同的。因此，在电极平面中并不生成径向电场，但在具有另一 ζ位置的不同电极之间的电位差在电极之间引入电场，造成透镜作用。 这种静电透镜依靠沿着轴线的一个或多个电场的工作是本领域技术人员已知的。表1给出本发明的第一实施例用于不同电极激发(此处也被称作傅里叶电压)的概况
权利要求
1. 一种带集成静电能量过滤器的带电粒子源(1迎)，所述带电粒子源用于带电粒子设备中，所述带电粒子源包括 带电粒子发射器(102)，其用于产生绕轴线(104)的带电粒子束(106)， 束限制孔口(112)，其用于选择由所述发射器所产生的束的部分，所述束限制孔口绕所述轴线定位，从而选择所述束的轴向部分， 在能量选择膜片(110)中的能量选择孔口(108)，其用于从通过所述束限制孔口的束的所述部分选择具有所需能量散度的粒子004)， 用于在能量选择膜片上形成带电粒子发射器焦点的电极；以及 用于产生静电偶极场以使得所述束偏转的电极，其特征在于， 所述带电粒子发射器和所述电极(112，114，116，118，120，122)绕所述轴线 (104)布置，所述轴线为直轴线。
2.根据权利要求1所述的带电粒子源(1迎)，其中，配备所述电极(112，114，116， 118，120，122)中的至少一些来生成弱四极场，所述四极场用于校正离开所述源的束 (106)的像散和/或所述束(106)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子源(1巡)，其中激发工作的电极(112， 114，116，118，120，122)使得离开所述源的束并不示出能量色散。
4.根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子源(1迎)，包括至少两个能量选择孔口 (108)，所述两个能量选择孔口具有不同尺寸和/或离所述轴线(104)不同的距离，所述两个能量选择孔口用于使具有不同能量宽度和不同束电流的带电粒子束通过。
5.根据权利要求4所述的带电粒子源(■)，其中，所述能量选择孔口(126)之一位于所述轴线(104)以使粒子束通过而不对所述束进行能量过滤。
6.根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子源(1般)，其中，所述带电粒子发射器 (102)为下列电子源热电子源、热场发射器、冷场发射器、肖特基发射器、碳纳米管和半导体发射器；或者下列离子源液态金属离子源，气体离子源和液态氦源。
7.根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子源(100)，其特征在于，所述电极中至少一个为120° /60° /120° /60°分段电极。
8.根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子源(1迎)，其中，在使用中，形成于所述能量选择膜片上的图像的彗差具有小于所述发射器的几何图像大小的直径。
9.根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子源(100)，其中，存在额外电极用于在所述发射器(102 )与所述能量选择膜片(110 )之间形成交叉。
10.一种配备了根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子源(1迎)的带电粒子设备。
11.根据权利要求8所述的带电粒子设备，其特征在于，所述带电粒子设备配备扫描电子显微镜(SEM)镜体和/或传输电子显微镜(TEM)镜体和/或聚焦离子束(FIB)镜体。
全文摘要
本发明公开了带有集成静电能量过滤器的带电粒子源。本发明涉及带有集成能量过滤器的带电粒子过滤器。其中所用的大部分过滤器具有高度弯曲的光轴，且因此使用具有难以制造的形式的部件，根据本发明的该源使用在直光轴周围的电极。令人吃惊的是，本发明者发现，倘若电极(114,116,120,122)中的一些形成为120°/60°/120°/60°，很可能使带电粒子束106a偏转离轴线104相当远，示出在能量选择狭缝108处显著的能量扩散，而不引入不能矫正的彗差或像散。这些电极能通过胶合或钎焊陶瓷而附连到彼此，且然后可例如通过火花腐蚀而形成高度同心的孔。
文档编号H01J37/09GK102468104SQ20111035451
公开日2012年5月23日 申请日期2011年11月10日 优先权日2010年11月10日
发明者亨斯特拉 A. 申请人:Fei 公司