本发明一般涉及离子源，更特别地涉及一种碰撞电离离子源。
背景技术：
带电粒子显微镜是众所周知且日益重要，其特别以电子显微镜的形式用于使微观物体成像的技术。历史上，电子显微镜的基本属性已经演变成众多已知的设备种类，例如透射电子显微镜(tem)、扫描电子显微镜(sem)、扫描透射电子显微镜(stem)，并且还演变成各种子类，例如所谓的“双光束”工具(例如，fib-sem双束显微镜)，其另外使用“加工”聚焦离子束(fib)，允许诸如离子束铣或离子束诱导沉积(ibid)的辅助性活动。
在sem中，通过扫描电子束照射样品以二次电子、背散射电子、x射线和阴极发光(红外、可视和/或紫外光子)的形式沉淀出样品散发的“辅助”辐射，然后检测该散发辐射，并用于图像积累目的。
在tem中，用于照射样品的电子束被选用为具有足够高的能量以穿透样品(为此，该样品一般比sem样品更薄)；然后从样品散发的透射电子可以用于产生图像。当该tem在扫描模式下操作时(从而变成stem)，所述图像将在照射电子束的扫描运动期间累积。
作为使用电子为照射光束的替代方案，带电粒子显微镜还可以使用其他带电粒子样品。在这方面，例如，术语“带电粒子”应被广义地解释为包括电子、正离子(例如ga或he离子)、负离子、质子和正电子。
应该注意的是，除了成像和进行(局部)表面修整(例如铣削、蚀刻、沉积等)，带电粒子显微镜还具有其他功能，例如执行光谱学、检查衍射图样等等。
就一切情况而论，带电粒子显微镜(cpm)将包括至少如下元件：
粒子源，例如肖特基(schottky)电子源或离子源。
照明器，其用于操作来自光源的“原始”辐射光束，并对其进行某些操作，如聚焦、减轻像差、裁剪(用光阑)、滤波等。照明器通常包括一个或多个(带电粒子)棱镜，并且还包括其他类型的(粒子)光学元件。必要时，照明器可以设置有偏转器系统，其可以被调用以使其出射光束在所研究的样品上执行扫描运动。
样品夹，可以在其上夹持和定位(例如倾斜、旋转)待检查的样品。必要时，可以移动该样品夹以影响样品相对于光束的扫描运动。一般而言，这样的样品夹可以连接至定位系统。当设计为用于保持低温样品时，样品夹将包括用于将所述样品保持在低温下的装置，例如，使用适当连接的冷冻缸。
探测器(用于从已辐照的样品检测散发的辐射)，其本质上可以是单一的或复合的/分布的，并且其可以采取很多不同的形式，这取决于待检测的辐射。示例包括光电二极管、cmos探测器、ccd探测器、光电管、x射线探测器(例如硅漂移探测器和硅/锂探测器)等等。一般而言，cpm包括多种不同类型的探测器，可以在不同情况下调用其中的选择。
在双光束显微镜的特定情况下，将会有(至少)两种光源/照明器(粒子-光学柱)，用于产生两种不同的带电粒子的样品。通常，(垂直设置的)电子柱将用于对样品成像，并且(以一定角度设置的)离子柱将(同时)用于修整(机器/加工)样品，从而可以通过多个自由度来定位样品夹以适当地将样品表面“呈现”至所使用的电子/离子束。
在透射式显微镜(例如tem或stem)的情况下，cpm将具体包括：
(粒子-光学柱成像的)成像系统，其基本上带走了通过样品(平面)传输的带电粒子并将它们引导(聚焦)至分析装置上，例如检测/成像装置、光谱仪器(例如eels电子能耗谱仪)等等。正如上文提到的照明器，成像系统可以执行其他功能，例如减轻像差、裁剪、滤波等，并且成像系统通常包括一个或多个带电粒子棱镜和/或其他类型的粒子-光学元件。
在光刻成像器中(例如圆片分档器/薄片扫描器)，光化辐射束用于图案化材料(光刻胶)后期的能量敏感性，该材料可以设置(例如旋涂)在衬底(半导体薄片)的表面上。
照惯例而言，光化光束已包括宽束光子(例如来自水银灯或激光器)，其穿过光掩膜/分光板之后将其图案传入光敏层。然而，其他类型的光刻成像器利用带电粒子，例如所谓的“直接写入”电子束工具，其可以根据所期望的图案在光敏层上追踪一个或多个电子束。还有其他光刻成像器概念利用离子束。类似于上述对cpm的讨论，光刻成像器一般还包括辐射源、照明器和样品夹，并且在基于光掩膜的光刻情况下还额外地包括成像系统；此外，光刻成像器一般还包括一个或多个探测器-通过这些探测器，将通常用于诸如剂量/均匀性校准、定位(重叠/对准)验证等目的。
在下文中，通过示例，实施例有时可以在双光束显微镜的特定背景下阐述；然而，这样的简化仅仅是为了清楚/说明的目的，而不应该被解释为限制。
附图说明
图1a示出了执行一实施例的cpm的纵向切面图。
图1b示出了现有技术的纳米孔径电离源(nais)离子源的放大图(纵向切面图)，该离子源适用在图1a中所描述的cpm。
图2以纵向剖视图示出了一实施例。
图3示出了另一替代性实施例。
贯穿说明书附图的多个视图，相同的附图标记指代对应的部分。
具体实施方式
关于离子源，各种可能性的实例包括液态金属离子源(lmis)、等离子体源、光致电离源等等。在实施例的上下文中特别使人感兴趣的是碰撞电离离子源(例如电子轰击电离源)，其中使用带电粒子(例如电子)的输入束来电离设置在电离区域中的气体中的分子/原子。最后，气体被引导至两个相对定位的保持板(薄板、膜)之间的狭窄间隙之中，其中一个保持板包含输入区(例如孔或者(局部减薄)的薄层/薄膜)以接纳所述输入光束，并且另一个保持板包含相对定位的输出区(通常是孔，但是也有可能是(局部减薄)的薄层/薄膜)以允许通过输入光束与气体的相互作用来发射在所述电离区域中产生的离子流。所述相互作用将主要发生在由所述板限定在相对侧上并位于所述区之间的气体空间中。
因为至少有一部分所述气体被转换成所述离子流，所以需要向所述气体空间补充气体供应，以便实现所述源的符合要求的连续操作。为了获得较高的光源亮度，优选地，电离区域非常小，以确保其中的输入带电粒子具有较高的密度；结果整个装置趋于非常小，使典型区域尺寸量级例如为几微米或几百纳米。为此，这样的源也可以被称为纳米孔径电离源(nais)，并且它们通常被制造成使用mems技术(mems＝微机电系统)的集成装置。关于nais装置的更多信息，例如参见：
转让给本发明的受让人的美国专利us7,772,564；
代尔夫特理工大学的davidsangbomjun(以及本发明的受让人)的博士论文“纳米孔径离子源(nais)的研究”，发表于isbn978-94-6186-384-3(2014)：repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid:23a0ceae-2662-4f6a-9082-f21d1a872a39/？collection＝research，为用于所有目的，其公开内容全部通过引用并入本文中。
nais装置的优点在于：它们可以相对容易地用于生成多种不同的离子种类-仅仅通过改变施加到电离区域的气体即可。此外，由于它们尺寸小而且相对低成本，并且可以使用mems制备技术大批量生产，因此当它们达到使用寿命期限时，它们可以容易且廉价地换掉/更换。然而，目前为止一直存在的问题是源亮度，其趋于保持低于计算/模拟的标称亮度水平。
实施例的一个目的是解决该问题。更特别地，实施例的一个目的是提供一种改善的碰撞电离离子源，其相对于现有技术的装置具有增大的源亮度。
这些以及其他目的在如本文所述的碰撞电离离子源实现，其技术特点在于：所述管道包括至少一个位于所述进气孔和所述出气孔之间的渡越区，其中所述管道垂直于所述板测量的内部高度从第一高度值减少到第二高度值。
在实施例的研究的广泛实验和分析中，发明人研究了现有技术nais装置(其中输入区和输出区都是微小的孔)中各种可能的原因造成观察到的令人失望的低源亮度。直观地来说，这些所做的努力主要侧重于电离空间中的量子效应，更特别地侧重于，诸如其中输入带电粒子的可用密度、这些带电粒子的能量、输入光束横截面/电流等因素。最终，经过非常彻底的分析之后，根本的原因被发现是一个完全意想不到的方向：在经过多次模拟和测量之后发现，气体通过(微小的)输入/输出孔的泄露对电离区域的影响比本来合理预期的要大的多，这一影响导致电离区域中的气压低于预期的一个或多个数量级，即使供应通道(平行于板间间隙的平面)的宽度远远大于输入/输出孔的直径。为了解决这一问题，发明人对供应管道做了明显的修改从而达到对电离区域更大的气体供应速率，更好地将供应管道的可实现的流动传导与通过孔的(组合的)泄漏传导相匹配；同时，这样的修改必须(尽力)保持气体空间的小尺寸——特别是上文提到的保持板之间的小的(高度)间隙，从而防止由于电离区域中输入的带电粒子的密度降低而引起的亮度降低的竞争倾向。本发明的结构使用供应管道，该供应管道在电离区域中的保持板之间保持期望的小的“天花板高度(ceilingheight)”，但是在从进气孔延伸到过渡区域的初始部分中的更上游处具有相对高的“天花板高度”。这种增加的天花板高度在所述气体供给线的所述初始部分中产生较低的长度与高度的纵横比，有利地改变了所述初始部分的所谓knudsen数(气体中(原子/分子)的平均自由程长度与管道的高度比)，随之而来的流动阻力/阻力减小。相应地，产生了一种情形，其中：
对于(在进气孔处)给定的气体输入压力，在电离区域会达到更高的压力；或者
为了在电离区域中实现特定的气体压力，现在可以用更低的输入压力(尤其是更容易符合安全法规)。
当测试新的供应管道配置时，发现它导致源亮度显著增加。例如，图2中示出了这里描述的本发明装置的实施例。
本发明的管道几何形状的过渡区域中的高度变化可以以不同的方式实现，其具有的形状例如可以从包括以下组中选择：
单个阶梯状；
多个阶梯状；
逐渐变化的过渡，以及它们的组合。
所做的形状的具体选择尤其取决于可制造性考虑。例如，可以使用蚀刻工艺，例如湿式蚀刻或溅式蚀刻结合适当的光刻或仅仅是导向的fib/离子辅助蚀刻技术来创建单个阶梯状或多个阶梯状。例如，可以通过使用fib作为横向位移的函数来连续地铣削不同的深度从而制造锥形(倾斜部分)过渡部。所选择的形式可能会潜在地影响管道中的湍流和死腔等现象，但是并未被发现这些会对本发明的离子源的操作有显著的影响。本领域技术人员将能够选择最适合于给定情况的细节的形状/制造技术。
在实施例中，所述第一(较高)高度值与所述第二(较低)高度值的高度比q大于25，优选地大于50，并且更优选地大于75。本领域技术人员将能够根据给定情况的需求选择q值，尤其是基于通过供应管道的流体传导中期望的增加，以及基于可制造性的考虑。作为非限制性示例，仅出于指导的目的给出，发明人在给定的测试中得出以下结果：
供应管道在出气孔中的高度h2：～300nm。
(平行于保持板)供应管道的宽度：～100μm。
(入口孔和出气孔之间)供应管道的长度：～3.3mm。
供应管道在进气孔中的测试高度h1：～7500nm(产生的q～25)。
以这种方式(q～25)增加供应管道开始处的管道高度使通过管道的流动传导率增加了超过三个数量级(达到大约10-10m3/s的数值，对于氦气在室温下)。
除了调节q值，必要时，还可以选择使用多于一个供应管道。例如，作为使用具有大的q的单个管道的替代方案，可以改用几个q值较小的管道；在主视图(从与输入光束平行的方向看)中，这样的多个供应管道可以从不同方向会聚在位于中央的气体空间，类似于轮子中的两个或更多个辐条。
应注意的是，实施例的供应管道不需要直接进入上文提到的气体空间。而且，必要时，在气体空间附近/周围可以有缓冲腔，并且供应管道可以通过该缓冲腔向气体空间馈送。
图1a为其中执行一实施例的带电粒子聚焦装置的实施例的清楚地示意图描述——在这种情况下带电粒子聚焦装置是cpm；更特别地，该图示出了显微镜m的实施例，在这种情况下，其是fib-sem(尽管如此，在实施例的情况下，它可以像，例如纯粹的基于离子的显微镜一样有效)。显微镜m包括粒子-光学柱1，其产生沿着粒子-光轴3'传播的带电粒子光束3(在这种情况下，是电子束)。粒子-光学柱1安装在真空腔5上，其包括样品夹7和相关的用于保持/定位样品s的致动器7'。使用真空泵对真空腔5(未示出)抽空。在电源供给17的帮助下，必要时，样品夹7或至少样品s可以相对于地面被偏置(漂浮)到电势。还描绘了真空端口5'，该真空端口5'可以被打开以将物品(元件、样本)引入真空室5的内部/从真空腔5的内部移除。必要时，显微镜m还包括多个这样的真空端口5'。
粒子-光学柱1(在该情况下)包括电子源9(例如schottky枪)和照明器2。照明器2(尤其)包括棱镜11、13，以将(电子)束3聚焦在样品s上，还包括偏转单元15(以执行电子束3的光束控制/扫描)。显微镜m还包括控制器/计算机处理装置25，用于控制，特别是控制偏转单元15、棱镜11和13、探测器19和21，还可以用于将从探测器19和21收集的信息显示在显示单元27上。
探测器19、21可以从多个可能的探测器类型中选择，这些类型的探测器可以用于检查响应于(撞击)射束3的照射而从样品s发出不同类型的“受激”辐射。在这里描述的装置，已经做出了如下(非限制性)探测器选择：
探测器19是用于从样品s探测阴极发光的固体探测器(例如光电二极管)。它也可以是x射线探测器，例如硅漂移探测器(sdd)或者硅锂(si(li))探测器。
探测器21是以固态光电倍增管(sspm)或者排空的光电倍增管(pmt)形式的电子探测器，例如旁置式电子探测器(everhart-thornley探测器)。这可以用于探测从样品s散发的反向散射和/或二次电子。
本领域技术人员将理解到，可以在设置中选择很多不同类型的探测器，例如本文所描述的，包括环形/分段式探测器。
通过扫描样品s上的光射束3，受激辐射-包括，例如x射线、红外/可视/紫外光、二次电子(se)和/或反散射电子(bse)-从样品s散发。由于该受激辐射对位置灵敏(由于所述扫描运动)，从探测器19、21获得的信息也将由位置决定。这一事实允许，例如来自探测器21的信号被用于生成样品s(至少一部分)的bse图像，该图像基本上是根据样品s上扫描路径位置的所述信号的图。
来自探测器19、21的信号沿着控制线(总线)25'传递，然后由控制器/计算机处理装置25处理，最后显示在显示单元27上。该处理可以包括诸如组合、积分、减法、假着色、边缘增强和本领域技术人员已知的其他处理等操作。此外，自动识别处理(例如用于粒子分子)可以被包括在该处理中。
除了上文描述的粒子-光学柱1之外，显微镜m还包括离子-光学柱31。类似于(电子)带电-粒子柱1，离子-光学柱31包括离子源39和照明器32，并且这些沿着离子-光轴33'生成/引导离子束33。为了便于接近位于样品夹7上的样品s，离子-光轴33'相对于(电子)带电-粒子轴3'倾斜。如上所述，例如，这样的离子-光学(fib)柱31可以用于在样品s上执行处理/加工操作，例如切刻、铣削、蚀刻、沉积等等。替选地，离子-光学柱31可以用于生成样品s的影像。
如这里所述，cpmm使用操作器机械手a，其可以通过致动器系统a'以各种自由角度来致动，并且(必要时)可以用于协助将样品转移到样品夹7上或从样品夹7移除，例如，正如在使用离子束33从样品s上切下的所谓的tem薄片的情况下那样。
还示出了气体喷射系统(gis)g，出于执行气体辅助蚀刻或沉积的目的，其可用于实现气体(例如蚀刻或源气体等等)的局部注入。这样的气体可以被存储/缓冲在容器g'中，并且可以通过窄喷咀g”来施加，从而出现在轴3'和33'的交点附近。
应注意的是，本领域技术人员了解这种装置的许多改进和替代方案，例如在样品s处使用受控环境，保持几个(如在环境sem或低压sem中所使用的)毫巴的压力。
在本公开的具体内容中，离子源39是碰撞电离离子源，如上文所述的nais。图1b以更详细的方式示出了这样的离子源39，其包括：
输入孔(区)a1，以允许带电粒子的聚焦输入光束b进入，例如电子束(由未描述的电子源生成，例如schottky发射器)。
输出孔(区)a2，位于所述输入孔a1的对面并与输入孔a1对齐，以允许发射离子流b'。正如所描述的，孔a1和a2都具有直径a'基本上相同的大致的圆形。
气体空间r，位于所述输入孔a1和输出孔a2之间，其中气体f(例如氩气)的(分子/原子)可以被所述输入光束b电离，从而产生所述离子b'。这样的电离发生在电离区域r'中，一般来说，电离区域r'基本上与气体空间r重合或重叠(尽管区域r'可以，例如通过孔a1、a2中的一个或两个在一定程度上突出)。在该图中，气体空间r用灰色阴影表示，而电离区域r'用阴影示意性地表示。
供应管道f'，用于将所述气体f的气流供应到所述气体空间r。
正如这里所述，供应管道f'由一对相对定位的保持板p1、p2(在nais的情况下，其足够薄以称为“膜”)界定。在这对保持板中第一板p1包含所述输入孔a1，且第二板p2包含所述输出孔a2，板p1、p2之间的间距/间隔d基本上限定供应管道f'的(均匀)高度。注意，“塞子”p3在一侧(与来自供应管道的气体f的内流相反的一侧)封闭该管道。第一板p1具有厚度d’，且第二板p2通常具有(近似)相同的厚度。为了提供一些常见指导，以下非限制性值可以应用于这样的所描述的离子源39：
板间隔d：约100-500nm。
板厚度d'：约100nm。
孔直径a’：约100-500nm。
气体空间r中的气压：约500-750毫巴。
射束b中的射束电流：约50-200na。
板p1、p2(以及塞子p3)包括诸如钼、铂或钨之类的材料。电源供给(未示出)可以用于在板p1、p2之间施加(直流)电压差(例如约1伏)，以将板p1偏置到比板p2更正的电位，从而产生将(带正电荷的)离子导向板p2并通过孔a2的电场。
如上所述，nais59的常规设计趋向于导致次佳的亮度。为了解决这个问题，发明人修改了供应导管f'的结构以实现一结构：供应管道f'的流动传导性更好的匹配输入孔a1和输出孔a2的流动传导性。图2中参照笛卡尔坐标系xyz示出了这种改进的结构的实施例。在该图中，供应管道f'包括：
进气孔(嘴/喉)o1，其连接至气体供应(例如气泵/藏)；
出气孔(嘴/喉)o2，其敞开到(位于孔a1和a2之间的)气体空间r，其中管道f'包括三个特征部分，即：
初始部分/地带t1，其具有与形成第一高度区域的z平行测量的相对大的高度h1，并且包括所述进气孔o1(从进气孔o1进入)；
最终部分/地带t2，其具有与形成第二高度区域的z平行测量的相对小的高度h2，并且包括所述出气孔o2(从出气孔o2出去)；以及
至少一个过渡区/地带t3，位于所述初始部分t1和所述最终部分t2之间，其中从高度h1过渡到高度h2，在第一板p1和第二板p2之间产生不均匀的高度。t3区域中的这种高度过渡可以平滑/连续地、多个阶段地进行，或者根据给定情况的需要/规定，一步一步的改变厚度。正如这里所述，以逐步减少的方式进行高度过渡；替选地，图3示出了以阶梯状的形式进行过渡的发明实施例。
在该特定实施例中，导管f'尺寸的改变仅发生在z方向；然而，这并不是为了限制本发明的范围，必要时，尺寸的改变(逐渐减少或阶梯式增加)可以替选地/额外地在y方向发生。出于指导目的，以下非限制性值可以适于：
平行于x的)部分t1、t2、t3的长度分别是：15mm、5μm和200μm；
(平行于z的)部分t1和t2的高度分别是：20μm(h1)和200nm(h2)。在这种情况下，这产生高度比q＝h1/h2＝100；以及
(平行于y的)部分t1、t2和t3的宽度：约100-200μm。
例如在使用时，进气孔o1处约500毫巴的气压导致出气孔o2处约450毫巴的气压。
这样的结构，例如可以使用芯片焊接过程方便地制造，从而“上半部”(板p1形成供应管道的顶部等等)和“下半部”(板p2形成供应管道的下半部等等)在两个分开的基板(或基板部分)上(例如使用蚀刻/烧蚀技术)制造之后，使用适当的垫片(例如气体流动插塞p3)将一半倒置到另一半上，对准并粘合在适当位置以帮助形成插入的管道/通道f'。可以在焊接之前或之后使用蚀刻/烧蚀来形成孔a1、a2，例如，可以使用薄光化(例如聚焦离子)束从一侧辐射地“穿过”焊接半部，从而实现完美的孔的相互对齐。当前背景下芯片焊接技术的具体示例包括直接焊接、热压焊接、共晶焊、阳极焊等。