用于调节粒子波束的方法与装置与流程

此申请案主张的优先权为2014年1月21日提交申请的美国临时专利申请案第61/929,583号，其内容通过引用的方式并入本文整体中。

技术领域

本发明在其一些实施例中涉及粒子波束调节，更具体而言(但非唯一)是涉及利用相位调节的粒子波束调节。

背景技术：

扫描型电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)和扫描透射型电子显微镜(scanning transmission electron microscope,STEM)与电子光学装置相结合，如一电子透镜以在所观察的样品的平面形成一个极端小的电子束的交叉(crossover)(在下文中将被称为波束探针beam probe)。测量透射散射的电子(transmission scattered electrons)、反射电子(reflected electrons)、二次电子 (secondary electrons)或从被波束探针照射的小区域而衍生的X射线，以获得所述小区域的结构及组成的信息。所述电子显微镜通过一电磁电子波束偏转器的手段，二维扫描一样品的所述平面上的波束探针，而获得一二维影像。

高分辨率电子显微镜的分辨率远非最佳，主要是因为物镜的球面象差 (spherical aberration)。多年来已有许多尝试来校正这些像差。在本领域中已知的技术包括在各种目镜聚焦条件下撷取一系列的物体的影像[E.J. Kirkland,超高倍显微术Ultramicroscopy 15,151-172(1984)],以及全息摄影技术(holographic techniques)[A.Tonomura等人,日本应用物理期刊Jpn.J. Appl.Phys.18,1373-1377(1979)]。其他已知的技术是利用四极-八极技术 (uadrupole–octopole)[O.L.Krivanek，超高倍显微术Ultramicroscopy 78， 1-11(1999)]或六极(hexapole)[M.Haider等人,，自然期刊Nature 392， 768(1998)]电磁校正器。

技术实现要素：

根据本发明的一些实施例的一方面提供一种调节一粒子波束(particle beam)的方法。所述方法包括：通过一相位掩模(phase mask)发送所述波束，所述相位掩模被选择成在所述粒子波束的一横截面上方空间地调节所述波束的一前导波(wavefront)的一相位。

根据本发明的一些实施例，所述相位的调节被选择成用以至少部分地补偿由一波束聚焦系统所产生的多个像差(aberration)。

根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：将一个多极电磁场施加于所述波束。

根据本发明的一些实施例的一方面提供一种相位掩模。所述相位掩模包括：一固体材料，能透射一粒子波束并且被图案化，因而得以在所述粒子波束的一横截面上方空间地调节所述波束的一前导波的一相位。

根据本发明的一些实施例的一方面提供一种调节一粒子波束的系统。所述系统包括：一相位掩模，所述相位掩模被选择成在所述粒子波束的一横截面上方空间地调节所述波束的所述相位前导波。

根据本发明的一些实施例，所述系统还包括一波束聚焦系统，其中所述相位的调节被选择成用以至少部分地补偿由所述波束聚焦系统所产生的多个像差。

根据本发明的一些实施例，所述波束聚焦系统被定位在所述相位掩模的前面或后面。

根据本发明的一些实施例，所述波束聚焦系统与所述相位掩模整合成一体。

根据本发明的一些实施例的一方面提供一粒子波束系统，所述系统包括一粒子波束源和一粒子波束调节系统，其中所述粒子波束调节系统包括如本文所描述的系统或相位掩模。

根据本发明的一些实施例，所述系统被配置为一透射型电子显微镜系统 (transmission electron microscope system)。

根据本发明的一些实施例，所述系统被配置为一扫描型电子显微镜系统 (scanning electron microscope system)。

根据本发明的一些实施例，所述系统被配置为一电子束断层摄影系统 (electron beam tomography(EBT)system)。

根据本发明的一些实施例，所述系统被配置为一电子束光刻系统(electron beam lithography system)。

根据本发明的一些实施例，所述系统被配置为一光谱系统(spectroscopy system)。

根据本发明的一些实施例，所述系统被配置为一质谱系统(mass spectroscopy system)。

根据本发明的一些实施例，所述系统被配置为一自由电子激光系统(free electron laser system)。

根据本发明的一些实施例，所述系统还包括一电磁或静电透镜。

根据本发明的一些实施例，所述相位掩模被选择成用以在所述波束聚焦系统的一影像平面提供一预定图案。

根据本发明的一些实施例，所述相位掩模被选择成用以在所述波束聚焦系统的一衍射平面(diffraction plane)提供一预定图案。

根据本发明的一些实施例，所述多个像差包括多个球面像差(spherical aberrations)。

根据本发明的一些实施例，所述多个像差包括多个色差(chromatic aberrations)。

根据本发明的一些实施例，所述像差包括至少一种类型的像差选自于由像散(astigmatism)和三叉像差(trefoil)所组成的群组中。

根据本发明的一些实施例，所述相位掩模是离散型的(discrete)。

根据本发明的一些实施例，所述相位掩模是连续型的(continuous)。

根据本发明的一些实施例，所述相位掩模的特征在于一矩形晶格 (rectangular lattice)。

根据本发明的一些实施例，所述相位掩模的特征在于一非矩形晶格 (non-rectangular lattice)。

根据本发明的一些实施例，所述相位掩模的厚度横越其一表面形成变化。

根据本发明的一些实施例，述相位掩模的特征在于不超过一临界点的一厚度函数，在所述临界点时所述累加的相位等于一预定阈值。

根据本发明的一些实施例，所述预定阈值是选自于由约π和约2π所组成的群组。

根据本发明的一些实施例，所述相位掩模是一个二元厚度的相位掩模。

根据本发明的一些实施例，所述粒子波束是一本质上相干的(coherent)粒子波束。

根据本发明的一些实施例，所述粒子波束是一电子束。

除非另有定义，否则所有本文使用的技术和/或科学术语与本发明所属领域的通常技术人员所理解的具有相同含义。尽管与本文所描述的类似或相同的方法或材料可以用于实践或测试本发明的实施例，但是仍将示例性的方法和/或材料描述如下。在冲突的情况下，以专利说明书所包含的定义为主。此外材料、方法和实施例仅是用于说明，而非旨在必然性地限制各自实施例。

本发明实施例的方法和/或系统的实现可以涉及手动地或自动地执行或完成所选择的任务或其组合。此外，根据本发明实施例的方法和/或系统的实际仪器和设备，若干所选择的任务可以通过硬件、软件或固件或其组合使用一操作系统来实现。

例如，根据本发明的实施例用于执行所选择的任务的硬件可以被实现为芯片或电路。至于软件，根据本发明的实施例所选择的任务可实施为多个软件指令，使用任何合适的作业系统通过一电脑执行。在本发明的一示例性实施例中，根据如本文所述的系统和/或方法的示范性实施例的一或多个任务通过一数据处理器执行，诸如用于执行多个指令的一计算平台。可选地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的一易失性存储器(volatile storage)和/或用于存储指令和/或数据的非易失性存储器(non-volatile storage)，例如磁性硬盘和/或可移除的介质。任选地，设置一网络连接。可选地设置显示器和/或使用者输入装置，诸如键盘或鼠标。

如本文所用的术语“约”是指±10％。

本文中所用的词汇“示例性(exemplary)”表示“用作为一示例(exemple)，实例(instance)或例证(illustration)”。任何被描述为“示例性”实施例未必被解释为优选或优于其它实施例和/或排除与来自其它实施例的特征结合。

本文中所用的词汇“可选择地(optionally)”表示“在一些实施例中提供，而在其它实施例中不提供”。任何本发明的特定实施例可以包括多个“可选择的”特征，除非此类特征相冲突。

术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”、“包含 (including)”、“具有(having)”及其词形变化是指“包括但不限于”。

术语“由...组成(consisting of)”意指“包括并且限于”。

术语“基本上由......组成(essentially consisting of)”是指组合物、方法或结构可包括额外的成分、步骤及/或部件，但只有当额外的成分、步骤及/或部件实质上不改变所要求保护的组合物、方法或结构的基本特征及新特征。

本文所使用的单数形式“一”、“一个”及“至少一”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。例如，术语“一化合物”或“至少一种化合物”可以包括多个化合物，包括其混合物。

在整个本申请中，本发明的各种实施例可以以一个范围的形式存在。应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本发明范围的硬性限制。因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及所述范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到 6，从3到6等，以及所数范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。

每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。术语，第一指示数字及第二指示数字"之间的范围”及第一指示数字"到”第二指示数字"的范围"在本文中可互换，并指包括第一及第二指示数字，及其间的所有分数及整数。

可以理解，本发明中的特定特征，为清楚起见，在分开的实施例的内文中描述，也可以在单一实施例的组合中提供。相反地，本发明中，为简洁起见，在单一实施例的内文中所描述的各种特征，也可以分开地、或者以任何合适的子组合、或者在适用于本发明的任何其他描述的实施例中提供。在各种实施例的内文中所描述的特定特征，并不被认为是那些实施方案的必要特征，除非所述实施例没有那些元素就不起作用。

附图说明

本发明在本文中仅以示例性的方式描述，并参考附图。现在具体详细地参照附图，重要的是其所显示的细节是通过示例的方式，仅仅是用于说明及讨论本发明的实施例。在这点上，当将说明结合附图，如何可具体实践出本发明的实施例对于领域技术人员是显而易见的。

在附图中：

本文所述的本发明，仅作为示例，参考附图，其中：

图1A是根据本发明的一些实施例中一衍射(diffractive)电子光学元件的一透射型电子显微镜影像的一例子。较亮的点具有更薄的材料厚度。

图1B是图1A的衍射电子光学元件的一衍射影像。

图2A显示一完美的透镜，其中所有射线都汇聚到一点。

图2B显示具有球面像差(spherical aberration)的透镜。对于较远离光轴的光线，焦距较短，因此图像模糊。

图2C显示通过增加具有R⁴依赖性的一相位板以校正球面像差。

图3A至图3C显示根据本发明的一些实施例三种类型的像差校正器 (aberration correctors)。

图4A显示穿过通过硅膜(Silicon film)的聚焦离子波束(focused ion beam, FIB)铣削所制成的工程相位片的电子束透射(transmission of electron beam)。所记录的影像中的各点的亮度取决于在所述被制成的膜中一对应点的厚度。

图4B显示出一多项式，拟合图4A的测量强度，显示R⁴依赖性。

图5是根据本发明的各种示例性实施例中，适合于调节一粒子波束的方法的一流程图。

图6是根据本发明的一些实施例中，一粒子波束系统的一示意图。

具体实施方式

本发明在其一些实施例中涉及粒子波束调节，更具体而言(但非唯一)是涉及利用相位调节的粒子波束调节。

在说细实明本发明的至少一种详施例之前，应当理解的是，本发明不只限于应用到下面的说明中所阐述的及/或图示中及/或示例中所的显示的多个构件及/或多个方法的建构及配置的细节。本发明能够实施成为其它的实施例或以各种方式被实践。

图5是根据本发明的各种示例性实施例中，适合于调节一粒子波束的方法的一流程图。但应该理解的是，除非另有定义，本文以下文描述的操作可以在许多执行组合或顺序同时或依序执行。具体而言，流程图的顺序不应被视为限制。例如出现在下面的描述中或以一特定顺序出现在流程图中的两个或更多个的操作可以以不同的顺序(例如相反的顺序)执行，或本质上同时执行。此外，以下描述的若干操作是可选择的，并且可以不执行的。

粒子波束例如可以是电子波束，但其他种粒子波束也可以考虑。这样的其他种光束的代表性实例包括(但不限于)一离子波束和一中性粒子波束(例如C60分子的波束或选自于I2、SF6、CFCl3、WF6、F、Cl和全卤化(perhallogenated) 碳化合物所组成的群组的粒子的一波束)。

所述方法可以在许多应用中被采用。在优选的实施例中，所述方法被用于降低或抵销由一聚焦系统造成的像差(aberration)，诸如静电或电磁透镜。

可以被本实施例的方法减少或消除的一种像差类型为球面像差(spherical aberration)。在常规的电子透镜，在距透镜轴线一距离进入透镜场的电子比与所述距离的比例更强烈地偏折。因此这些电子与透镜轴线的交点发生在不同的点，从而引起通常所谓的球面像差。

可以被本实施例的方法减少或消除的另一种像差类型为色差(chromatic aberration)，其是因为不同能量的电子被所述聚焦系统以不同程度偏折。本实施例的方法可减少或消除纵向色差(longitudinal chromatic aberration)和横向色差(transverse chromatic aberration)。在纵向色差，不同能量的电子被带往聚焦在影像空间中的不同平面上，这导致一模糊效应。因此，纵向色差的出现是由于焦距随着电子能量变化。横向色差，来自单一点的不同能量的电子被带往聚焦在相同的影像平面上不同的点，导致影像的一横向偏移。因此，横向色差可以被看作是由于倍率随着电子能量变化的效果。

可以被本实施例的方法减少或消除的另一种像差类型包括像散 (astigmatism)和三叉像差(trefoil)。

被本实施例的方法调节的粒子波束(例如电子波束)优选为一本质上相干的(coherent)粒子波束。粒子波束的相干程度(degree of coherence)可以通过一已知为能见度的量进行定量，所述能见度可以从所述波束所产生的一干涉图案的一强度分布中提取。所述分布的最高峰值的强度以Imax表示，在最高峰值旁的波谷的强度以Imin表示，所述能见度可以定义为 V＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin)。

本文所使用的“基质上相干的粒子波束”是指一种粒子波束，其特征为至少0.3、或至少0.4、或至少0.5的能见度。

所述粒子波束可以通过任何使用粒子波束的系统来产生，如电子波束。代表性的例子包括(但不限于)透射型电子显微镜(transmission electron microscop,TEM)系统、扫描型电子显微镜(scanning electron microscope,SEM) 系统、电子波束断层摄影(electron beam tomography,EBT)系统、电子波束光刻(electron beam lithography)系统、光谱系统(spectroscopy)、质谱(mass spectroscopy)系统、电子能量损失能谱(electron energy loss spectroscopy,EELS) 系统、俄歇电子能谱(auger electron spectroscopy,AES)系统，电子束离子阱 (electron beam ion trap,EBIT)能谱系统、自由电子激光(free electron laser)系统及类似物。这样的系统在本文中统被统称为电子波束分析系统。

所述方法开始于步骤10并可选择地和优选地进行至步骤11，在其中产生粒子束，例如(但不限于)电子波束，如图6所示，例如通过一采用粒子枪的粒子波束分析系统，诸如一电子枪或类似物。可取代地，在所述方法从粒子枪接收波束的情况下，波束的产生不属于所述方法的一部分。在步骤12 粒子波束例如任选地和优选地被一光束聚焦系统聚焦，例如电磁或静电透镜。所述方法任选地和优选地进行至步骤13，在其中所述粒子波束通过一相位掩模发送。所述相位掩模被选择成在所述粒子波束的一横截面上方空间地调节所述波束的一相位。优选地，但不是必须的，所述相位的调节被选择成用以至少部分地补偿由一波束聚焦系统所产生的多个像差。所述波束可以在被发送通过所述掩模之前或之后通过所述聚焦系统。可以理解的是，所述掩模被放置在所述聚焦系统的焦距或影像平面不是必要的。额外地，可以理解的是，当有数个聚焦系统，一掩模可用于各个聚焦系统。可替代地或额外地，所述掩模可以用于至少部分地补偿在所述波束通过两个或更多个的聚焦系统期间所产生的累加的多个像差。

此外，所述掩模可以与所述聚焦系统间隔开，或者它可以与所述聚焦系统整合成一体。

在本发明的一些实施方案中，所述方法进行至步骤14，在其中一电磁场和/或一静电场被施加至步骤14。电磁场和/或静电场优选为一多极磁场 (multipole field)(例如四极、六极、八极等)。

所述多极磁场可被用作为一主动式像差校正器(active aberration corrector)，与所述相位掩模互补。即所述相位掩模所造成效果和所述多极磁场所造成的效果的组合降低或消除所述像差。例如所述相位掩模可被选择成减少或消除球面像差所述多极磁场可被选择成减少或消除色差。另一例子是一种配置，其中所述掩模沿着一第一轴线提供像差校正而所述多极磁场沿一第二轴线提供校正，其中两个轴线优选地彼此垂直并与所述粒子波束的轴线垂直(在文献中也称为光轴optical axis)。一额外的例子是一种配置，其中所述掩模沿所述第一轴线造成一会聚作用(converging effect)，并且在多极磁场沿所述第二轴线造成一发散作用(diverging effect)，以及一种相反的配置，其中所述多极磁场沿所述第一轴线引起一会聚作用，并且所述掩模沿着第二轴线引起一发散作用。

本发明人发现一主动式校正器和一相位掩模的这样的组合可以提供其他方法无法得到的性能。

所述方法在步骤15结束。

图6是根据本发明的一些实施例中，一粒子波束系统的一示意图。系统 60可以是电子波束分析系统，例如但不限于透射型电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)系统、扫描型电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)系统、电子波束断层摄影(electron beam tomography,EBT) 系统、电子波束光刻(electron beam lithography)系统、光谱系统(spectroscopy)、质谱(mass spectroscopy)系统、电子能量损失能谱(electron energy loss spectroscopy,EELS)系统、俄歇电子能谱(auger electron spectroscopy,AES)系统，电子束离子阱(electron beam ion trap,EBIT)能谱系统、自由电子激光(free electron laser)系统。

系统60包括一粒子波束源62，配置用于产生一粒子波束64，以及一粒子波束调节系统66。在本发明的一些实施例中，系统60还包括一电子波束聚焦系统68，例如(但不限于)静电或电磁透镜，其被配置成将波束64聚焦至一样品72。

粒子波束调节系统66优选地包括一相位掩模，所述相位掩模70被选择成在所述粒子波束64的一横截面上方空间地调节所述波束64的一相位。在本发明的一些实施例中，相位掩模70调节波束64的相位，以至少部分地补偿由聚焦系统68所产生的多个像差。在图6的示意图中，掩模70显示位于聚焦系统68的后面。然而，这种情况不是必须的，因为对于一些应用，可能期望将掩模70定为于聚焦系统68的前面。进一步而言，本实施例也考虑聚焦系统70与掩模68整合成一体的一配置。

粒子波束调节系统66可选择地和优选地还包括一电磁或静电透镜74。透镜74施加一电磁和/或静电场，其优选为一多极磁场(例如四极、六极、八极等)。透镜74可以作为一与掩模70互补的主动式像差校正器，如上文进一步所详述。

各种类型的相位掩模可考虑在本实施例的方法和系统中使用。一般而言，所述相位掩模在一预定的平面提供了一预定的图案(例如，一相位图案，一强度图案)。所述预定的平面例如可以是所述影像平面或所述粒子的聚焦系统的衍射面，例如电子波束分析系统。

本文所用的“影像平面”指的是由多个点所定义的一平面，其中各个点是两个或更多个粒子轨迹的交差点，所述粒子轨迹经过一样品的相同点。

这里使用的“衍射平面”指的是由多个点限定的平面，其中每个这样的点是经过样品的相应的两个或更多不同点的两个或更多的粒子的轨迹的交点。

相位掩模通常由具有一非均匀厚度的固体材料所制成。在本发明的各种示例性实施方案中，所述厚度被选择成使得所述粒子的至少70％的成功穿过所述固体材料。横越相位掩模区域的所述厚度的空间分布由一厚度函数所描述，所述函数可以是离散的或连续。

厚度的一连续分布可被实施为横越掩模逐渐变化的一厚度。

厚度的一离散分布可被实施为间隔开的多个空间特征的一图案，其中空间特征之间的所述固体材料的厚度与在多个空间特征的固体材料的厚度不同。所述空间特征可以是一或多个点、直线段、曲线、二维区域等。通常情况下，空间特征的特征在于坐标的网格(grid)，其可以是一矩形网格或一非矩形网格特征。例如，当所述多个空间特征为多个点，其可以在网格上形成的多个点的晶格(lattice)，可以是周期性的、准周期性的或非周期性的。典型地，但不是必须的，在两个相邻的空间特征之间的固体材料比在空间特征厚。因此例如在空间特征可形成一沟槽图案。

在本发明的一些实施例中，厚度函数根据距所述掩模中心的一距离的四次方而变化。这些实施例用于校正球面像差(spherical aberration)是有用的，并且对于相对较小的角孔径(angular aperture)是特别有用的(例如小于0.1弧度或小于0.05弧度或小于0.025弧度或小于0.0125弧度)。

在本发明的一些实施例中，在相位掩模的厚度函数被选择成不超过一临界点的一厚度函数，在所述临界点时所述累加的相位等于一预定阈值。这些实施例也用于校正大像差值，或者施加随着最小材料厚度的大相位变化是有用的，并且用于较大的角孔径(angular aperture)(例如大于0.1弧度)是特别有用的。

一合适的累积相位阈值例如约2。

在本发明的一些实施例中，所述相位掩膜的厚度函数是二元的(binary)。这种厚度函数描述一相位掩模，其横越所述掩模只具有两个厚度值。

在下面的示例部分中提供适用于多个本实施例的厚度函数的各种类型代表性示例。所述相位掩模可以由透射所述粒子波束的任何材料制成，例如，电子波束。代表性的例子包括，但不限于，硅、氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)、氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、碳、铝、金、银和金刚石。所述掩模的优选厚度在最高厚度的区域小于100纳米。

如本文所用的术语“约”是指±10％

本文中所用的词汇“示例性(exemplary)”表示“用作为一示例(exemple)，实例(instance)或例证(illustration)”。任何被描述为“示例性”实施例未必被解释为优选或优于其它实施例和/或排除与来自其它实施例的特征结合。

本文中所用的词汇“可选择地(optionally)”表示“在一些实施例中提供，而在其它实施例中不提供”。任何本发明的特定实施例可以包括多个“可选择的”特征，除非此类特征相冲突。

术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”、“包含 (including)”、“具有(having)”及其词形变化是指“包括但不限于”。

术语“由...组成(consisting of)”意指“包括并且限于”。

术语“基本上由......组成(essentially consisting of)”是指组合物、方法或结构可包括额外的成分、步骤及/或部件，但只有当额外的成分、步骤及/或部件实质上不改变所要求保护的组合物、方法或结构的基本特征及新特征。

本文所使用的单数形式“一”、“一个”及“至少一”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。例如，术语“一化合物”或“至少一种化合物”可以包括多个化合物，包括其混合物。

在整个本申请中，本发明的各种实施例可以以一个范围的形式存在。应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本发明范围的硬性限制。因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及所述范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到 6，从3到6等，以及所数范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。

每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。术语，第一指示数字及第二指示数字"之间的范围”及第一指示数字"到”第二指示数字"的范围"在本文中可互换，并指包括第一及第二指示数字，及其间的所有分数及整数。

可以理解，本发明中的特定特征，为清楚起见，在分开的实施例的内文中描述，也可以在单一实施例的组合中提供。相反地，本发明中，为简洁起见，在单一实施例的内文中所描述的各种特征，也可以分开地、或者以任何合适的子组合、或者在适用于本发明的任何其他描述的实施例中提供。在各种实施例的内文中所描述的特定特征，并不被认为是那些实施方案的必要特征，除非所述实施例没有那些元素就不起作用。

上文所述的及以权利要求项部分所请求的本发明各种实施例和方面，可在以下的实施例中找到实验支持。

示例：

现在参考以下实施例，其与以上的描述以非限制性方式一起说明本发明的一些实施例。

在光学装置中，使用物质的折射率来控制光线是已知的。在电子显微镜和材料科学中，通过薄掩模的特制加工处理以人为调节电子波束几乎是不存在的或被需要的。最近，出现了越来越多的刊物是关于使用二元(振幅 amplitude)掩模调节电子波束，而不是相位掩模。本发明人发现相位掩模提供比二元光栅(binary gratings)更高能量的通量(throughput)和更大的带宽 (bandwidth)。

用于成形的电子波束的波导波的衍射电子光学元件(diffractive electron optics elements)：

这个示例涉及使用衍射电子光学元件(diffractive-electron-optics elements, DEOE)调节相干的(coherent)电子波束。相干的自由电子波束源(coherent free-electron beam source)，例如在透射电子显微镜(TEM)中使用的场发射枪是可任选的和优选使用的。透射电子显微镜(TEM)中观察用的样品可以放在一网格(grid)或如膜(membrane)，但不限于，任何标准3毫米直径网格或膜。在本发明的一些实施例中，使用厚度从5nm至150nm的范围的氮化硅薄膜 (thin Silicon-Nitride(SiN)membranes)。这些薄膜的优点在于，其具有低散射性和机械上的坚固性。如同光波穿过玻璃并根据材料的折射率获得一相位移 (phase-shift)，一电子通过一氮化硅薄膜直接根据所述交互作用的材料的厚度相似地累加一相位因子，根据[Reimer and Kohl,Springer,透射型电子显微镜 Transmission Electron Microscopy,5th Ed.pg.52]。

[通式一]

其中λ是电子的波长，E0＝m0c²与E＝eU分别是电子的静止能量和动态能量，其中动能是由加速电压U和电子电荷e所给予。剩下的量值是厚度t和材料的内在电位Ui，其包括电子光学折射率n(E)(electron-optical refractive index)。

根据本发明的一些实施例中，制造衍射电子光学元件(DEOE)采用聚焦离子波束(Focused Ion Beam,FIB)铣削(milling)通过所述氮化硅(SiN)薄膜，形成使用全息演算法(holographic algorithm)而设计的多个厚度的一空间方差 (spatial variance)。一所制造的全息图(hologram)的一示例以及所得到的电子波束于图1A-图1B显示。衍射电子光学元件(DEOE)可以是根据相位的和/ 或根据振幅的，并且可具有任意数量的级别(level)。在本发明的一些实施方案中DEOE仅具有两个级别。这样的衍射电子光学元件(DEOE)在本文简称为二元衍射电子光学元件(binary DEOE)。

在电子透镜中的像差校正，例如在电子显微镜中的像差校正：

在本发明的一些实施例中，衍射电子光学元件被用于电子透镜的球面象差的校正。

在标准透射型电子显微镜中电子的德布罗意波长(de-Broglie wavelength)(在105V的范围内的加速电压)约为2皮米(picometers)。根据阿贝原则(Abbe’s principle)，这允许以皮米分辨率(picometer resolution)测量。然而，由于物镜的球面像差，高分辨率的透射型电子显微镜的分辨率比(约 0.2纳米)几乎比其差100倍。这是在1930年代从透射型电子显微镜初期开始著名科学家一直在困扰的一众所周知的问题。校正像差的方法目前确实存在，但它们是非常复杂和昂贵的。例如校正可以通过在可变的目标聚焦条件下撷取物体的一系列影像[E.J.Kirkland,超高倍显微术Ultramicroscopy 15, 151-172(1984)],以及通过全息摄影技术(holographic techniques)[A. Tonomura等人,日本应用物理期刊Jpn.J.Appl.Phys.18,1373-1377(1979)] 而完成。近年来，像差校正通过增加四极-八极技术(uadrupole–octopole)[O.L. Krivanek，超高倍显微术Ultramicroscopy 78，1-11(1999)]或六极(hexapole)[M. Haider等人,，自然Nature 392，768(1998)]电磁校正器而实现。然而这些复杂的元件使显微镜昂贵得多。

本发明人发现，电子透镜的象差可以通过增加一薄膜，其形状和厚度使用纳米制造技术而控制，例如聚焦离子波束铣削(focused-ion beam milling)。此膜可以是用于电子的一图案化的相位板，使其前导波(wavefront)成形，以平衡的电子透镜的畸变(distortion)。

电子透镜的像差：

使用磁透镜，电子被聚焦在透射型电子显微镜。这些透镜包括一电流注入通过的线圈。此线圈被维持在一金属遮蔽物内，所述金属遮蔽物具有位于中间的孔洞，电子通过所述孔洞而被聚焦。此透镜沿着光轴产生一钟形磁场。更复杂的透镜是由相反极性(opposite polarity)的四个磁极(four poles)所建构的四极透镜(quadrupole lenses)，以及分别由六个或八个磁极所组成的六极和八极透镜(hexapole及octopole lenses)。大部分高分辨率的透射型电子显微镜以标准的极片透镜进行操作。先进电子显微镜还包括六极或四极与八极透镜的组合以用来校正透镜像差。

本发明人发现现有的磁透镜远远不够完善，以及具有严重的向差。一示例是球面像差，其中较远离光轴的电子射线具有较短的焦距，如图2B所示。由于这种像差，光线无法聚焦至焦平面的一点，而是聚焦至一有限大小的圆形光斑。

由于所述像差，可以在一样本上观察到的最小直径是dnin＝0.5Csα³，其中Cs是透镜球面像差常数(lens spherical aberration constant)而是电子波束的角扩展(angular spread)。通常球面像差常数介于0.5至2毫米范围。因此，对于 Cs＝0.5mm,α＝10mrad，可在一样本中观察到的最小直径dmin＝0.25nm，其已经比相同角孔径(angular aperture)的衍射极限(diffraction limit)大两倍。

就前导波畸变(distortion)而言，也可描述像差的效果。一理想透镜将一平面前导波转换为一球面前导波，而在之后被汇聚至所述影像点。然而，由于球面象差，相对于理想的球面波，超出透镜的前导波在所述透镜的外部区域更强烈地被弯曲，因此相对于靠近光轴的部分，所述波束的外围部分聚焦在较短的距离。令ΔS为理想的球面波与从所述透镜所获得的实际波之间的光程差(optical path difference)，并令W为相对应的相位差(phase difference，也称为波像差wave aberration)。

[通式二]

在球面像差的情况下，并且假定没有散焦(defocusing)：

[通式三]

这表示球面像差导致前导波畸变(wavefront distortion)，其以圆锥角θ的四次方的比例变化，这也是所述孔洞半径r≈θf的四次方，其中f是透镜的焦距长度。

除了球形像差，还有其他像差，诸如畸变(distortion)、轴像散(astigmatism)、慧型像差(coma)和色差(chromatic aberration)。通常以球面像差为主。

在高分辨率透射型电子显微镜(TEM)中磁透镜的像差限制其分辨率至约 0.2纳米，这大约比在透射型电子显微镜中电子的德布罗意波长大100倍。在1930年代，科学家们从透射型电子显微镜的初期已经一直在努力克服这个限制。在1936年由Otto Scherzer已经显示球面像差和色差无法被旋转对称的电子透镜(rotationally symmetric electron lenses)消除[O.施科泽，Z.玛格 101，593-603(1936)。Scherzer提出了各种方法用于校正色差和球面像差[O. Scherzer,Z.Physik 101,593–603(1936)]。其中之一是提出使用静电或磁多极元件(electrostatic or magnetic multipole elements)用于校正色差和球面像差，以及一些其他的建议，例如使用的电荷箔(charge foils)、面镜(mirrors)、高频透镜(high frequency lenses)等。Dennis Gabor提出全息摄影(holography)概念作为克服像差限制的方法[D.Gabor,自然Nature 161,777-778(1948)]。这些概念的实施被证明是非常有挑战性的，并且等到Haider等人依照Rose提出的方法使用包括用于像差校正的六极元件(hexapole elements)的透射型电子显微镜而发表所获得的第一影像已经过了40年[M.Haider et al,自然 Nature 392,768(1998)]。Krivanek等人发表使用一四极-八极系统 (quadrupole–octopole system)校正球面像差[O.L.Krivanek,超高倍显微术 Ultramicroscopy 78,1–11(1999)]这些多极校正器几乎提供两种分辨率改进的一因素，从0.24纳米至0.14纳米。最先进的商业像差校正透射型电子显微镜提供一稍微好一点的分辨率约为0.08纳米。然而多极校正器无法简单地增添到一现有的透射型电子显微镜，这些设计和实施是相当细腻的，而且像差像正显微镜的成本大约是高分辨率透射型电子显微镜的两倍(例如 Cs-corrected Titan G2约为2.7万欧元vs.高分辨率Tecnai F20约为1.5万欧元)。此外，此分辨率仍然离电子波长很远。

本发明人发现，衍射电子光学元件(diffractive-electron-optics elements, DEOE)可以用于像差校正。衍射电子光学元件通过纳米制造技术而制造，并且本发明人显示，衍射电子光学元件可以控制电子波函数的前导波。通过在所述纳米制造的元件中调节其前导波而控制电子，而不是施加电磁力。在本发明的实施例中，制备薄膜，所述形状和厚度通过聚焦离子波束铣削而控制，从而使电子波函数至少在薄膜的一些点的各个点上进行一不同的像位移 (phase shift)。这取决于空间(space-dependent)的相位是根据本发明一些实施例而设计，以取消由电子透镜所增加的像差。

为了说明本实施例的技术，考虑球面像差。此像差等于从理想球面波的一前导波偏离，其以r⁴的比例变化，其中r是在孔洞的径向坐标。因此，如果电子波束穿过一板件，在进入透镜之前，其厚度以r⁴的比例变化，其积累一取决于空间的相位移，正好取消透镜的像差，如图2C所示。假定透镜的焦距为2毫米而电子波长为2.5微米(这是以200kV的电压所获得)，前导波畸变(distortion)的形状由以下式定义：

[通式四]

最高畸变是在孔洞的最大半径获得，θf≈20μm，并且大约等于弧度π。例如在硅中，相对于空气，在厚度t的一层的累积相位由下式定义

[通式五]

这表示46纳米的厚度产生π的一相位移。因此相位移校正器可以是可变的厚度的形式d(r)＝d0+d1r⁴，一厚度在板件的边缘比其中心厚46纳米，如图 3A所示。假设在中心处的厚度为d0＝10nm，其在边缘变成为56纳米，仍然比硅的典型平均自由光程小，而超过100纳米。本发明人显示了电子透射通过根据本发明的一些实施例所制造的板件，其已经显示了r⁴依赖性。

虽然这种类型的相位板是合适的，例如，对于具有一小数值的一孔洞(例如10毫弧度mrad以下)，可以通过以具有较大数值孔径的透镜改善分辨率，其衍射极限λ/(2sinθ)因此较小。其转化为较大的孔洞，因此以及较大的球面像差，其中可以使用较厚的补偿膜(compensating films)。为了避免或减少散射，可以使用“波带片(zone-plate)”式的补偿器。在这些实施例中，厚度函数任选地和优选地不超过一临界点，其中累加的相位是2π。超过这一点，所述厚度被设置回到最小值，如图3B所示。

在一些实施例中，采用仅具有两个厚度可能值的二元相位板。在这些实施例中，可以使用一高频载波调节(high frequency carrier manipulation)以施加振幅和相位信息。

[通式六]

d(r)＝d0+0.5d1{1+sign[cos(2πr/Λ+ar⁴)]}

一例子显示于图3C。这允许在第一衍射阶(diffraction order)中获得一校正的图像。

在本发明的一些实施例采用一种混合型校正器。所述混合型校正器将纳米制造的相位板结合多极电磁透镜。这允许分离两种校正器之间的像差补偿任务。本发明人发现这样的混合校正器可以提供其他方法不可能得到的性能。

(一)可变厚度校正器：

已经制造几个样品来测试本实施例的能力，以将相位板的厚度适当地成形。40纳米厚度的无定形硅膜放置在透射型电子显微镜网格的顶部。随后所述膜通过聚焦离子波束(FIB)铣削圈而变薄，使用35kV镓(Galium)波束与 20pA的电流。15同心圆具有不同半径进行铣削，各个铣削总膜厚度的约 1/15。各圆的半径由R⁴函数决定。多个铣削圈从较小的中心圆开始进行铣削，并且随后的铣削圈接着以步长5奈米从中心向外铣削。然后将薄膜插入到透射型电子显微镜，并且记录穿过它们的电子波束的影像。一例子显示于图4A。在这些薄膜中，影像中的各个区域的亮度几乎线性地正比于薄膜的厚度。在铣削制程后，通过以径向坐标的一函数分析影像的亮度，估计形状轮廓。使用此分析，获得薄膜，所述薄膜的记录的强度图案显示了所需的 R⁴依赖性，如图4B所示。

(二)“波带片(zone-plate)”校正器

根据本发明的一些实施例的“波带片(zone-plate)”校正器显示于图3B。这种校正器可使用高分辨率的聚焦离子波束(FIB)、电子波束纳米光刻技术 (electron beam nano-lithography)等制成。电子波束纳米光刻技术应用于制造用于电子的菲涅耳透镜(Fresnel lenses)[Ito等人,自然期刊Nature 394, 49-52(1998)]。相对于较简单的可变厚度校正器，在此潜在的优点是补偿更大的前导波偏离。

(三)二元厚度校正器

二元厚度校正器显示于图3C。此校正器有两种可能的厚度：样本的原始厚度和以聚焦离子波束(focused ion beam,FIB)决定的铣削厚度。二元厚度校正器可用于矫正多种类型的前导波畸变。在一些实施例中，二元厚度校正器用于补偿色差[D.C.O'Shea等人,“衍射光学、设计、制造和测试Diffractive optics,design,fabrication and testing”,SPIE Press(2004)]和球面像差。

根据本发明的一些实施例的衍射电子光学元件(DEOE)也可以通过纳米制造技术手段制造，而非聚焦离子波束(FIB)。代表性的实例包括，但不限于，电子波束光刻技术(e-beam lithography)、光学光刻技术(optical lithography)、通过纳米压印(nano-imprinting)激光量产技术。自由电子源和透镜设置可以是透射型电子显微镜，或任何其他的电子源和透镜设置。代表性的实例包括，但不限于，扫描型电子显微镜、自由电子激光以及产生或调节电子波束的任何装置。具体而言，电子透镜可以是磁或是电。

本实施例的衍射电子光学元件(DEOE)可以是离散的(例如其特征在于由多个分离的点构成的一矩形晶格(lattice))，或者其特征在于一非矩形晶格，或是连续的。在本发明的一些实施例中，所述衍射电子光学元件可以由形状而非点构成。在本发明的一些实施例中，衍射电子光学元件可以包括亚晶格(sub-lattice)。在本发明的一些实施例中，衍射电子光学元件可以被布置为完全连续的形状，具有任何所需的高度地形绘制(topographical mapping of heights)，导致在衍射面中一所需的图案或是透镜系统的影像平面。

一旦图案化，衍射电子光学元件可以由任何可协助相位调节的材料组成。通常使用低散射材料，使得只有电子的相位被控制并且能量通量(energy throughput)是最大的。然而对于一些应用，振幅的变化(variance)可能是需要的，而于这种情况可选择适当的材料。此外，衍射电子光学元件可通过合并几种不同的材料，或交替地淀积部分在其他者之上而制成，以达到所需的相位和振幅调节。

衍射电子光学元件也可以在三维空间由平面技术构建：沉积材料层和空间上改变一材料层，然后重复所述过程以产生任何数量的层，其中各者具有其自身的几何组合或材料组合。

除了一般的元素的材料，如金、银、硅等，衍射电子光学元件可以是基于复合材料的结构，例如对外界刺激反应的基于碳的结构或纳米制造电子产品或元件，例如激光、温度变化等等。

虽然本发明结合其具体实施例而被描述，显而易见的是，许多替代、修改及变化对于那些本领域的技术人员将是显而易见的。因此，其意在包括落入所附权利要求书的范围内的所有替代、修改及变化。

在本说明书中提及的所有出版物、专利及专利申请以其整体在此通过引用并入本说明书中。其程度如同各单独的出版物、专利或专利申请被具体及单独地指明而通过引用并入本文中。此外，所引用的或指出的任何参考文献不应被解释为承认这些参考文献可作为本发明的现有技术。本申请中标题部分在本文中用于使本说明书容易理解，而不应被解释为必要的限制。