专利名称：一种带有永磁透镜和静电透镜的粒子－光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种粒子-光学装置，包括带有光轴的聚焦机构，可将带电粒子束聚焦到焦点位置，所述聚焦机构包括磁透镜，可在磁极部帮助下产生聚焦磁场；静电透镜，可产生聚焦电场，其中粒子束的能量发生变化。因此，聚焦电场位于聚焦磁透镜和焦点位置之间区域的上游。
背景技术：
美国专利US No.4,785,176公开了这样的装置。
这类装置可称作扫描电子显微镜(SEM)，透射电子显微镜(TEM)和双束显微镜(其中应用了离子束和电子束)。上述装置目前应用于，例如，半导体工业的开发、检验和生产领域。在这些应用领域中，在各个阶段，使用电子束或离子束对生产装置，如光刻掩膜，和产品及半成品，如晶片，进行检查、修理和制造。用带电粒子辐射样品，通过不同方式得到信息，如通过样品激发出的二次粒子和辐射。通过探测器收集和处理这些信息，得到对样品的某些物理性质的认知信息。
为了防止检测样品存在不希望的带电和/或受损伤，进行辐射的粒子要求有一定的登陆(landing)能，该能量取决于样品的性质。在使用电子进行的检测中，一般希望登陆能在0.5到5keV的范围。
因为样品的成分可能各处不同，所以希望登陆能可调节以对应于各处的不同成分。在这种情况下，希望粒子束的焦点位置不会相对聚焦机构移动。这在生产环境下是非常重要的，比如在检测晶片时，这时调节聚焦将对整个生产带来不利影响。
这种装置中的磁透镜通常通过线圈在磁极部帮助下产生聚焦磁场。用于产生磁场的电流使线圈散发热量。磁透镜的物理尺寸在很大程度上由线圈尺寸和可能设置的冷却机构要求的空间来决定。可对这些冷却机构，如水冷螺旋式冷却机构，提出要求以限制不希望有的散热后果，比如由于磁极部的温度改变造成的机械构件变化。
在粒子-光学装置的领域内，希望小型化聚焦机构，以便形成检测器的空间，或在聚焦机构产生的多个带电粒子束的帮助下，同时从一个或多个样品上的多个位置得到信息。
在所提到的美国专利中，聚焦机构包括磁透镜，可在线圈和磁极部的帮助下产生聚焦磁场；和静电透镜，可产生聚焦电场，电场可改变粒子束能。这种已知的聚焦机构，通过使用可部分或全部地与磁场重合的电场，争取使不可避免的透镜失常小于只使用磁透镜时的透镜失常。对于粒子束能的变化，所提到的美国专利只是说明在静电场中粒子束能减小。
本发明寻求提供一种在开头段落所介绍类型的装置，其中独立于登陆能的焦点位置具有相对聚焦机构固定的位置，其中的聚焦机构可以小型化。
发明内容
为此目的，根据本发明的装置的特征在于，磁透镜设有永磁材料，可产生透镜行为所要求的聚焦磁场，所述能量变化具有能量增加的方式。
在给定的磁透镜的情况下，使用永磁材料将导致磁极部之间有恒定磁场，其结果是，磁透镜中不同能量的粒子束将导致粒子束的不同焦距。
本发明基于一创造性的认识，如果粒子束的能量变化在粒子束通过磁透镜的磁场时或之前是能量增加，所属领域的技术人员可简单地通过使磁和静电透镜变化互补的方式构建磁透镜和静电透镜。因此，关键是能量变化具有能量增加方式，如果粒子束的能量下降的话，静电透镜和磁透镜的能量都增加，所以在后一情况下，不能实现互补。
应当注意到，所提到的美国专利介绍的情况未提出这种可能性，在这样的情况下，能量下降的粒子束只用于实现其他目的，如所作的介绍。
在根据本发明的装置的优选实施例中，存在围绕光轴的区域，磁场和电场都经过这个区域。进行的测量显示存在着电场和磁场重叠区域。电场和磁场重叠的结果使结构小型化的希望成为可能。
根据本发明的装置的另一实施例中，磁透镜的样品侧磁极部是用导电材料制成，其还可用作静电透镜的电极。通过这样的部件集成，使结构小型化的希望成为可能，此外，静电电极不再需要相对磁极部对中。
在根据本发明的装置的又一实施例中，装置设置了调节机构，可调节焦点位置，使其在成像过程中保持恒定。这种方法使得，在样品的宏观位置保持不变的情况下，调节焦点位置成为可能，以允许样品存在不规则。
本发明将参考附图进行说明，附图中相同的标记表示相对应的元件，为此，图1a是根据本发明的粒子-光学装置的聚焦机构的示意图；图1b是图1a的粒子-光学装置中的轴向电场和磁场强度以及粒子束能量的分布图；图2是根据本发明的粒子-光学装置的聚焦机构的示意图。
具体实施例方式
图1a显示了一部分根据本发明的粒子-光学装置，如扫描电子显微镜(SEM)，其中带电粒子束1，如电子束，沿装置的光轴10移动。粒子束1通过聚焦机构11聚焦到焦点位置9。可想到焦点位置9位于样品8上。
聚焦机构11包括磁透镜和静电透镜。磁透镜包括两个磁极部4，5，其间设有永久磁性材料6，由此磁极部由围绕光轴10延伸的间隙13分隔开。
静电透镜包括两个管状电极2和3，围绕光轴10并位于相互纵向延伸部分。由此，电极3具有接地电位，电极2连接到电源。
可受到电流激励的线圈7位于磁极部4和5之间的间隙13。
电极2和3之间施加了电源12的电压差。电压差形成电极2和3之间的聚焦电场。由于聚焦电场，粒子束1可加速到某个能量级，在下面称作登陆能，带有能量的粒子束撞击样品8。
磁极部4和5引导永久磁性材料6产生的磁通量通过间隙13到达光轴10的周围区域，磁通使聚焦磁场位于光轴10的附近。为此，当使用图中所示的磁极部4和5时，永久磁性材料6的磁力方向平行于光轴10。磁极部4和5的尺寸加工成使间隙造成的分散磁场不会在聚焦机构外的光轴10上或其附近形成大磁场。
线圈7产生的另外磁场，如果需要，可适度地改变已在光轴10存在的聚焦磁场。静电透镜产生的光轴10上的聚焦磁场E在图1b中由曲线20示意性显示。磁透镜产生的位于光轴的聚焦磁场B在图1b中示意性地由曲线21显示。光轴10上的粒子束1的电能量U在图1b中用曲线22显示。在该图中，聚焦电场20和聚焦磁场21部分相互重叠。在聚焦磁场21的样品侧的区域23没有电场。
聚焦磁场21的聚焦作用由能量22决定，粒子束1的带有能量的电子通过聚焦磁场21。当粒子束1中的电子在聚焦磁场21中某位置具有高能量时，聚焦作用将比粒子束1中的电子在该位置具有低能量时要差。
由于聚焦磁场21中的粒子束1的能量受到聚焦电场20的位置和几何形状的影响，聚焦电场20相对聚焦磁场21的位置和几何形状的选择可使磁透镜和静电透镜的能量变化互补。其结果是，如本发明所希望的，焦点位置9可独立于登陆能。线圈7产生的磁场可稍改变已经存在于光轴10的聚焦磁场21，以调节焦点位置9，允许样品8有不大的高度变化，并使不大的高度变化可通过聚焦粒子束1来跟踪。焦点位置9的调节范围是磁极部5和焦点位置9之间距离的很小部分。电子线圈7形成的磁场因此是永久磁性材料6产生的聚焦磁场21的很小部分。实现所要求的调节范围的电线圈7中的电流因此只是无永久磁性材料时所需电流的很小部分。使用透镜线圈所带来的散热问题因此实质地得到解决。
图2显示实质上与图1a的装置相同的装置，差别在于图2中省略了电极3，电极3的作用由磁极部5承担，磁极部5现在接地电连接。通过这种方式，磁极部5还用作静电透镜的电极。聚焦电场由电极2和磁极部5之间的电压差形成。为此，磁极部5是用导电材料制造并连接到接地电位。根据这个实施例进行的模拟已经显示，在这种方式中，如本发明所希望的，发现几何形状确实可以使焦点位置9独立于登陆能。
权利要求
1.一种粒子-光学装置，包括带有光轴(10)的聚焦机构(11)，可将带电粒子束(1)聚焦到焦点位置(9)，所述聚焦机构(11)包括磁透镜，可在磁极部(4，5)的帮助下产生聚焦磁场(21)；静电透镜，可产生聚焦电场(20)，其中所述粒子束(1)的能量会变化；因此，所述聚焦电场(20)位于所述聚焦磁透镜(21)和所述聚焦位置(9)之间区域(23)的上游；其特征在于，所述磁透镜设有永磁材料(6)，可产生透镜行为所要求的聚焦磁场(21)；和所述能量变化具有能量增加的形式。
2.根据权利要求1所述的粒子-光学装置，其特征在于，所述聚焦磁场(21)和所述聚焦电场(20)都位于围绕所述光轴(10)的区域。
3.根据前面权利要求中任一项所述的粒子-光学装置，其特征在于，所述磁透镜的样品侧磁极部(5)由导电材料制成，其还可用作所述静电透镜的电极。
4.根据前面权利要求中任一项所述的粒子-光学装置，所述装置设置了调节机构，可调节所述焦点位置(9)使其在成像过程中保持恒定。
全文摘要
粒子－光学装置一般设置磁透镜或静电透镜，以将带电粒子束(1)聚焦到样品(8)。这些装置希望能在不同束能量下使用。但是不希望粒子束的焦点位置(9)会相对样品(8)移动。磁透镜使用永磁材料(6)具有结构紧凑的优点，但一般避免使用永磁材料是因为不容易将透镜的能量调节到符合变化的束能量。本发明显示了通过将设有永磁材料的磁透镜与静电透镜结合，可保持焦点位置(9)的恒定，并使之与粒子束1的粒子能量无关。静电透镜在此示例中是加速透镜。
文档编号G12B21/00GK1590979SQ20041004341
公开日2005年3月9日 申请日期2004年4月23日 优先权日2003年4月24日
发明者B·布伊斯塞 申请人:Fei公司