带电粒子束设备的制作方法

1.本发明涉及一种带电粒子束设备，其具有超大电子能量工作区间，比如在样品上的落地能量为从100ev到100kev，增加了可应用能量的范围，本发明尤其涉及一种扫描/透射电子显微镜，其在低能量电子束成像条件下能够减小电子相互作用，从而提高分辨率。


背景技术：

2.带电粒子束设备广泛应用于工业，生物学，材料学，半导体等领域，能够在纳米级别的微观尺度处理或检测样品。在用于检测样品时，带电粒子束设备能够产生电子束并将其聚焦到导电或非导电的试样上，然后从试样中收集释放的带电粒子，x射线等信息，用于形成图像。大范围能量区间的电子显微镜具有较大的实用性，其应具有可以变化的电子能量和高分辨率，可以用于检验生物样品或病理切片。众所周知，高的电子能量可以提高设备的高分辨率，但是可能会对样品造成一定程度的损伤。低速电子在行程空间上有较大的电子相互作用，增大了电子束流系统的像差，特别是电子束流的色差，从而影响了显微镜的分辨率。因此，在实现大范围的落地能量的同时仍然有较好的分辨率的显微镜仍然是业界的挑战。
3.随着生物物理学技术的突飞猛进的发展，能够观看生物微观结构的专用显微镜的需要越来越迫切。观测时，不同电子束能量可以得到不同的结构和微观尺度等有用信息，所以具有超大范围落地能量的电子显微镜具有更广泛的实用性。例如，在观看生物样品或半导体样品时，有时候需要电子束流穿透样品，此时需要较高的电子束流能量(例如100kv)。有时较高的电子束流能量会使某种生物分子链断裂，也会造成样品烧伤等不可逆的破坏，此时需要较低电子束能量入射(例如0.1kev)。在较低的落地能量(比如小于1kev)下实现较高的分辨率是亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.众所周知，近年来，随着需要观测的生物学结构组织和半导体线宽越来越小，迫切需要一种纳米级别的高分辨率带电粒子束设备用于生物学样品观测和半导体工艺中。制造精密的高分辨率的带电粒子束设备需要严谨的设计，比如系统中各种像差对电子束光斑的影响，高斯放大率，衍射和带电粒子相互效应等。在生物学和半导体领域的实际应用中，不同的被检测或测量半导体样品会需要不同落地能量的主粒子束。因为，半导体或生物样品上的某些特有结构或缺陷敏感于某一特定能量的带电粒子。所以，大范围可变化落地能量提高了设备的应用广泛性。
5.本发明的目的在于提供一种带电粒子束设备，尤其是一种大范围落地能量的高分辨扫描/透射电子显微镜，能够在大范围的落地能量下实现高分辨，特别是低电压落地能量下实现高分辨。该电子显微镜能够产生并聚焦入射带电粒子束，使之作用到导电样品或非导电样品上，并收集释放的带电粒子或x
‑
ray用于产生图像。在带电粒子产生的过程中，调整灯丝电压为某一恒定值，满足需要的带电粒子的落地能量。调整吸取电压为某一恒定值
意味着稳定的带电粒子角密度，从而作用到半导体样品或晶圆上的粒子数量不变，图像亮度和分辨率不变。这在半导体的检测应用上是必要的。改变带电粒子系统内的加速电压有助于减小电子束的色差，特别是在低落地能量下对分辨率的提高具有明显作用。
6.本发明提供的带电粒子束设备包含：至少一个带电粒子源，用于产生一次带电粒子束；
7.高压隧道管，用于将一次带电粒子束加速到预定的能量；
8.聚焦磁镜组，用于聚焦所述一次带电粒子束；
9.扫描偏转器，用于扫描偏转一次带电粒子束，使之在样品上形成扫描图案；
10.复合物镜，用于将扫描后的电子束聚焦在样品上；
11.以及多个可调电压源和电流源，用于提供所需的电流或电压。
12.通过在所述带电粒子束设备上设置探测器，所述带电粒子束设备可以作为扫描/透射电子显微镜。该探测器从样品上收集带电粒子信号或x
‑
ray信号，用于分析样品表面的形貌，材质等。在一些实施例中，该探测器可以位于样品的下方，用于探测透射电子信号，形成样品的扫描透射图像。在另一些实施例中，该探测器可以位于样品的上方，用于探测二次电子和背散射电子的扫描图像，此时所述带电粒子束设备还包含维恩滤波器(wien filter)，用于筛选一次带电粒子束和来自样品的带电粒子信号。
13.本发明实施例中的带电粒子源可以为金属氧化物/钨热场发射带电粒子源(例如氧化锆/单晶钨电子发射源)。所述金属氧化物/钨热场发射带电粒子源在结构上有阴极，肖特基电极和吸取极(阳极)。本发明分别对阴极，肖特基电极和吸取极施加相应的电压，在阴极表面形成强电场，阴极表面就会产生需要的带电粒子，肖特基电极位于阴极的周围，用于抑制阴极尖端以外的位置发射电子束；吸取极用于导向和加速阴极发射出的带电粒子束。阴极与吸取极之间的电势值为2000～30000v。而阴极与高压隧道管之间的电势值为0kv
‑
～180kv，通过设置可调电压源来实现。
14.本发明实施例中的带电粒子源与以往的金属氧化物/钨热场发射带电粒子源的区别在于，以往普遍使用的阴极和吸取极之间的距离一般为0.3
‑
0.6mm，电位差一般为2000v
‑
5000v，然后必须再由高压隧道管将电子再次加速到所需能量。而本发明实施例增加了阴极和吸取极的距离，比如0.6
‑
3mm，并将阴极和吸取极电压增加到例如10000
‑
30000v，设置合理的带电粒子源的温度，比如1700
‑
1800k。带电粒子从阴极发射出来，经过吸取极就能获得了足够大的能量，可以减小色差和电子的相互作用。上述的这些设计有利于降低带电粒子色差，提高了金属氧化物/钨热场发射带电粒子源的亮度和真空度，从而实现更高分辨率。
15.本发明实施例中产生电场和磁场的复合物镜包含磁透镜、导电线圈、以及与磁透镜绝缘的电透境。其中，带电粒子束刚进入高压隧道管时，高压隧道管是将带电粒子束加速到高压隧道管的能量，带电粒子束从高压隧道管入射到样品上时，电子会减速，在减速过程中，高压隧道管与样品之间形成电场，可以聚焦带电粒子束，可当作电透境。磁透镜由高饱和磁通量的软磁材料比如纯铁，铁镍合金等一种或多种材料组成。纯铁具有大的饱和磁场密度和成本低廉的优点，但有很大的磁各向异性。铁镍合金具有较低的磁各向异性和昂贵的成本。磁透镜内部装有聚焦的导电线圈，导电线圈通电流以产生电磁场。本发明的高压隧道管具有环形轴对称的结构，由金属材料制成，位于磁透镜和样品之间。磁透镜，高压隧道管和样品之间构成了带电粒子束的减速装置和静电聚焦透镜，使主电子束聚焦并作用在导
电样品或非导电样品上。复合物镜能够降低电子束的像差，有利于提高分辨率。上述结构使得整个系统机能实现在极低的带电粒子能量下(例如100v)也能实现较高的落地能量(例如100kv)。在各种落地能量状态下，均有很好的分辨率和较大的偏转场。
16.基于上述内容，一方面，本发明提出一种带电粒子束设备，包括带电粒子源、高压隧道管、聚焦磁镜组和复合透镜组，其中，所述高压隧道管用于将所述带电粒子源产生的一次带电粒子束加速；所述聚焦磁镜组和所述复合透镜组在所述高压隧道管的外周沿一次带电粒子束前进方向依次设置，所述聚焦磁镜组用于将一次带电粒子束聚焦，所述复合透镜组用于将一次带电粒子束聚焦在样品上；
17.所述带电粒子源包括阴极和吸取极，所述阴极的电势由阴极可调电压源调节，所述阴极和所述吸取极之间的电压由吸取极可调电压源调节；样品的电势由样品可调电压源调节；所述高压隧道管的电势由高压隧道管可调电压源；所述吸取极和所述高压隧道管之间的电压由所述阴极可调电压源、所述吸取极可调电压源和所示高压隧道管可调电压源串联调节。
18.在一些实施例中，所述阴极和所述吸取极的距离为0.6～3mm，所述吸取极可调电压源的电压为2k～30kv，例如10kv～30kv。
19.在一些实施例中，所述阴极可调电压源的电压为0～
‑
100kv。
20.在一些实施例中，所述样品可调电压源的电压为0～
‑
12kv。
21.在一些实施例中，所述高压隧道管可调电压源的电压为0～80kv。
22.在一些实施例中，所述阴极的周围设置有肖特基电极，所述肖特基电极与所述阴极的电压由肖特基电极可调电压源调节。
23.在一些实施例中，所述肖特基可调电压源的电压为0～
‑
1kv。
24.在一些实施例中，所述带电粒子束设备还包括像散补偿系统，用于消除产生的像散。
25.在一些实施例中，所述带电粒子束设备还包括至少一组扫描偏转器，所述扫描偏转器设置在所述高压隧道管的外周，用于扫描偏转所述带电粒子束。
26.另一方面，本发明提出一种扫描电子显微镜，包括所述带电粒子束设备和第一探测器，所述第一探测器位于样品的上方，用于探测二次电子和背散射电子的扫描图像，优选地，所述第一探测器为环形的闪烁体探测器。
27.在一些实施例中，所述扫描电子显微镜还包括维恩滤波器(wien filter)，用于筛选一次带电粒子束和来自样品的带电粒子信号。
28.又一方面，本发明提出一种透射电子显微镜，包括所述带电粒子束设备和第二探测器，所述第二探测器位于样品的下方，用于探测透射电子信号，形成样品的透射图像；优选地，所述第二探测器为半导体探测器。
29.与现有技术相比，本发明的带电粒子束设备具有以下有益效果：
30.本发明的带电粒子束设备可以得到大范围的能量区间的入射电子束。
31.在扫描/透射电子显微镜的应用上，能够产生50kev或更大能量的电子，可以穿透亚微米厚度的样品，也可以用于在低能下查看生物样品形貌，材质，导电率等相关信息，具有更广泛的应用。
32.本发明的带电粒子束设备具有高压隧道管功能，可以实现较低落地能量的电子在
高压隧道中有较快的速度，降低了电子的相互作用，消除了色差。在电子束较低的落地能量下，提高了低电压模式下的分辨率。
33.探测器在高压隧道内部时可以得到样品二次电子和背散射电子信号而形成图像，探测器在样品的下面时可以得到透射电子信号而形成图像。
附图说明
34.以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
35.图1为本发明实施例中带电粒子束设备的结构示意图；
36.图2为本发明实施例中的金属氧化物/钨热场发射带电粒子源示意图；
37.图3为本发明实施例中电场和磁场的复合物镜示意图；
38.图4为本发明实施例中的扫描电子显微镜的结构示意图；
39.图5为本发明实施例中的透射电子显微镜的结构示意图。
具体实施方式
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
41.在本发明的说明书中，提及“一个实施例”时均意指在该实施例中描述的具体特征、结构或者参数、步骤等至少包含在根据本发明的一个实施例中。因而，在本发明的说明书中，若采用了诸如“根据本发明的一个实施例”、“在一个实施例中”等用语并不用于特指在同一个实施例中，若采用了诸如“在另外的实施例中”、“根据本发明的不同实施例”、“根据本发明另外的实施例”等用语，也并不用于特指提及的特征只能包含在特定的不同的实施例中。本领域的技术人员应该理解，在本发明说明书的一个或者多个实施例中公开的各具体特征、结构或者参数、步骤等可以以任何合适的方式组合。
42.实施例1
43.图1是本发明实施例中的带电粒子束设备1000的结构示意图。其能够产生、聚焦、偏转扫描一次带电粒子束，使之作用到导电样品或非导电样品上。
44.如图1
‑
3所示，所述带电粒子束设备包括带电粒子源300、聚焦磁镜组、像散补偿系统150、扫描偏转器90、复合透镜组400。
45.带电粒子源300(参见图1和图2)可以为金属氧化物/钨热场发射带电粒子源，包含一个阴极10，用于产生一次带电粒子束15。还包含一个肖特基电极20和一个吸取极30，用于产生高压电场，吸取和加速阴极10发射出的一次带电粒子束15，然后一次带电粒子束15进入高压隧道管40，并被加速到高压隧道管40的电势。肖特基电极20设置在阴极10的周围，用于抑制阴极尖端以外的位置发射带电粒子。
46.聚焦磁镜组、像散补偿系统150、至少一组扫描偏转器90、复合透镜组400围绕在高压隧道管的周围，聚焦磁镜组靠近高压隧道管的入口，像散补偿系统150位于聚焦磁镜组的下游，扫描偏转器90、复合透镜组400位于像散补偿系统150的下游。
47.聚焦磁镜组包含第一磁透镜50和第一导电线圈55，用于调整入射的一次带电粒子束15的角度，使一次带电粒子束15朝着的中心5聚焦。像散补偿系统150用于消除系统产生的像散。扫描偏转器90包含上扫描器90a和下扫描器90b，上扫描器90a和下扫描器90b配合
使用，用于扫描偏转一次带电粒子束15，使之在样品130上形成扫描图案。
48.复合透镜组400包含第二磁透镜110和第二导电线圈115，同时由于高压隧道管40的电势高而样品130的电势低，电子束离开高压隧道进入样品时会减速，形成聚焦电透镜120，电透镜120和第二磁透镜110构成所述复合透镜组400。复合透镜组400用于将扫描后的电子束聚焦在样品130上。吸取极40和样品130的电压均可在一定范围内设置，从而可调配电透镜的多种工作状态，可适用于不同材料的应用。
49.所述带电粒子束设备包括多个可调电压源和一个电流源，其中，吸取极可调电压源170用于调节吸取极30和阴极10之间的电压；阴极可调电压源200在吸取极可调电压源170的基础上对吸取极30与阴极10施加相应的电压；肖特基可调电压源160在阴极可调电压源200的基础上对肖特基电极20施加理想电压；灯丝电流源210用于将阴极10加热到理想的温度，例如1700k；样品可调电压源190用于对样品130施加理想的电位；复合物镜中高压隧道管可调电压源180用于对高压隧道管40施加所需电压。
50.在本发明的带电粒子束设备中，带电粒子的吸取电压可达2k
‑
30kv，带电粒子可以具有0.1kev到100kev的落地能量，而现有的带电粒子束设备的吸取电压通常为5k
‑
10k，带电粒子的落地能量通常为0.3kev到30kev。
51.当实现超高落地能量时(例如100kev的能量)，调节阴极可调电压源200的电压到
‑
100kv，吸取极可调电压源170为30kv，调节高压隧道管可调电压源180为80kv，调节样品可调电压源190为0v。那么带电粒子束的落地能量为100kev，实现了较大的落地能量。带电粒子在高压隧道管中的能量达到了180kev，可以实现较小的电子相互作用。
52.当需要低落地能量时，例如0.1kev，调节阴极可调电压源200的电压为
‑
0.1kv，吸取极可调电压源170为30kv，调节高压隧道管可调电压源180为+80kv，样品可调电压源为接地。那么带电粒子束落地能量为0.1kev，实现了较小的落地能量，而带电粒子在高压隧道管中的速到仍达到了80.1kev。在带电粒子行程中，仍保持了较高的速度，大大减小了带电粒子的相互作用。而现有的电子显微镜在低压落地能量情况下，最大的电子束能量仅为20kev。在现有设备中，有的不设置高压隧道，有的将高压隧道管对地的电位设置为10kv，主要用于吸引从样品处产生的二次电子或者背散射电子。目前人们还没充分意识到大范围落地能量的设备在观察生物样品或者其它材料样品时都具有较高分辨率的实用性。
53.图2描述了本发明实施例的金属氧化物/钨热场发射带电粒子源300(例如氧化锆/单晶钨电子发射源)，其在结构上有阴极10，肖特基电极20和吸取极30。阴极10用于发射一次带电粒子束15，吸取极30用于加速阴极10发射出的一次带电粒子束15至吸取极30的电位，其包括使一次带电粒子束15通过的入射孔301。灯丝电流源210用于给阴极10施加相应电流，使得阴极10表面温度为理想温度1500k到1900k之间的某一数值，比如1700k。阴极10和吸取极30之间的电位差由吸取极可调电压源170提供，电势差可以为2k
‑
30kv。肖特基电极20与阴极10之间的电势差为0～
‑
1000v，由肖特基可调电压源160控制。吸取极30与高压隧道管40的电势差由吸取极可调电压源170、高压隧道管可调电压源180和阴极可调电压源200共同提供，根据不同的应用，电势差为可变调节。
54.图3描述了带电粒子设备中，产生电场和磁场的复合物镜400。复合物镜在结构上有第二磁透镜110，第二导电线圈115，同时，由于高压隧道管40和样品130形成的电压不同而形成一个电透镜120。第二磁透镜110和第二导电线圈115用于产生聚焦一次带电粒子束
15的磁场。将第二磁透镜110的电势设置为零，电透镜120与第二磁透镜110构成复合物镜400，用于聚焦或散焦一次带电粒子束15。电透镜120的电势由高压隧道管可调电压源180和样品可调电压源190控制。样品的电势值由样品可调电压源190提供。所述高压隧道管40对地电压设置为0v～80k，所述样品130对地电压设置为0～
‑
12kv，以减速一次带电粒子束15，同时可以加速或抑制样品130发出的二次带电粒子束。电透镜与所述第二磁透镜110共同作用，使主电子束聚焦在并作用在导电或不导电样品130上。通过调节磁场和电场的空间分布场，可以改变带电粒子的落地能量。
55.实施例2
56.如图4所示，该实施例中的带电粒子束设备用作扫描电子显微镜，其能够产生、聚焦、偏转扫描一次带电粒子束，使之作用到导电样品或非导电样品上，并收集释放的带电粒子或x
‑
ray用于产生样品的表面相貌图像。
57.在实施例1中的带电粒子束设备的基础上，本发明的扫描电子显微镜包括第一探测器件80和维恩滤波器(wien filter)100。
58.第一探测器件80位于样品130的上方，通过从样品130上方收集背散射电子或二次电子信号，分析样品的形貌，材质，导电性能等相关信息。在一个实施例中，第一探测器80可以为环形的闪烁体探测器。
59.维恩滤波器100用于筛选一次带电粒子束和来自样品的带电粒子信号，可以向一次带电粒子束以及背散射电子或二次电子信号施加电场和磁场，在一次带电粒子束的前进方向上，一次带电粒子束受电场和磁场合力为零，因此可以达到样品130上。而在背散射电子或二次电子的前进方向上，由于电场和磁场合力不为零而发生偏转，因此可达到第一探测器80。
60.与实施例1类似，带电粒子可以具有0.1kev到100kev的落地能量，且在低落地能量的情况下，在带电粒子行程中，仍保持了较高的速度，大大减小了带电粒子的相互作用，提高了成像质量。
61.实施例3
62.如图5所示，该实施例中的带电粒子束设备用作透射电子显微镜，在实施例1中的带电粒子束设备的基础上，本发明的扫描电子显微镜包括第二探测器件140。
63.第二探测器件140位于样品130的下方，通过从样品130上收集的透射的带电粒子信号或x
‑
ray信号来分析样品表面的形貌，材质，密度等相关信息。在一个实施例中，第二探测器140为半导体直接探测器，具有效率高，速度快，信噪比好的特点。
64.与实施例1类似，带电粒子可以具有0.1kev到100kev的落地能量，且在低落地能量的情况下，在带电粒子行程中，仍保持了较高的速度，大大减小了带电粒子的相互作用，提高了成像质量。
65.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。