带有集成静电能量过滤器的带电粒子源

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。

说明书

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 A1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。

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z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1mm与5mm之间，能量色散也较小，通常在1μm与5μm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。

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|M_x|=|M_y|，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。

附图说明

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100，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x方向中偏转，示出该束的投影，在x平面上的投影106^a和在y平面上的投影106^b。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, z)离轴放置，其中x=1.67 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124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，M_x=M_y，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                                                （角定向）的函数：

 [-1-]

其中，为多极数，R为电极孔半径且为多极的激发（还进一步被称作多极的傅里叶电压）。应当指出的是k=1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。

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）之一施加电压，向相反区段（以角定向+π）施加－利用1V多极激发（傅里叶电压）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（）。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。

同样，通过向两个120°区段施加电压和向60°区段施加电压，生成1V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z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

电极关于发射器的圆形透镜激发 [傅里叶电压]偶极激发 [傅里叶电压]四极激发 [傅里叶电压]1124600--1145584.7-11610001243.41181000--1201500-72455122750529151241000--

表1：第一实施例的电极激发[傅里叶电压]。

应当指出的是对于完全对准的电极与肖特基发射器，无需在电极114上的偶极激发，因为那样，与能量选择孔口上发射器图像的大小相比，彗差是可忽略的。但是，通常在此位置的偶极场无论如何优选地对抗电极和/或发射器关于轴线略微不对准的影响。

在表1中给出的激发得到在狭缝处1.8μm/V的能量色散和4倍的发射器放大。对于大约30nm（肖特基发射器的典型值）的发射器大小，那么可得到的能量宽度为大约0.08eV。

应当指出的是在此实施例中发射器以大约4600V的电位操作，其是肖特基发射器通常的电位，且离开该源的电子的最终能量为1keV，但也可使用其它电位和能量。

提到对于肖特基发射器，当由提取器（电极112）所传输的电流小于大约30nA时，此实施例的电子-电子相互作用（库仑相互作用和轨迹移位）是可忽略的，其由使用G.H.Jansen的公式的模拟所确认，纽约，美国学术出版社（Academic Press, New York），"Coulomb Interactions in Particle Beams", Adv. Electron. Electron Phys., Suppl. 21, (1990) 。

应当指出的是对于这种几何形状，在能量选择孔口/狭缝处的图像由于前置狭缝光学器件的结果为圆形图像：电极112、114和116的圆形透镜激发用于使得发射器在狭缝上成像，使x-z平面中的放大与在y-z平面中的放大相同，这是电极116的四极作用的结果，且焦点为无彗差的焦点，这是由电极114和116所造成的组合偏转的结果。

还应指出的是此几何形状和这些激发导致其中dx/dU=0的源，且因此虚拟源的位置并非取决于能量。提出，得到取决于能量的接受张开角。但是，在大部分情况下这并非任何结果。

在根据本发明的带电粒子源的第二实施例中，电极的机械布局与用于实施例1的电极的布局相同，但后置狭缝电极的激发不同。通过调谐后置狭缝光学器件（电极120，122和124），可使得虚拟交叉（在能量选择膜片上发射器的图像）的彗差，和 都等于零。因此，不仅虚拟源的位置独立于能量()，而且自发射器接受的张开角独立于能量)。

图2给出对于本发明的第二实施例用于不同电极的激发（此处也被称作傅里叶电压）的概况

电极关于发射器的圆形透镜激发 [傅里叶电压]偶极激发[傅里叶电压]四极激发 [傅里叶电压]1124600--1145584.7-11610001243.41181000--1201741-78656122103356418124727--

表2：第二实施例的电极激发[傅里叶电压]。

提到由于前置狭缝光学器件与第一实施例相同，对于肖特基发射器，当由提取器（电极112）传输的电流小于大约30nA时此实施例的库仑相互作用也可忽略。

图3示出120°/60°/120°/60°分段电极。

电极示出4个区段301……304，其中中央孔305绕轴线104布置。第一区段301为120°电极，布置为。另一120°区段，区段303被布置为。两个其余区段，60°区段302和304分别定位成且（或） 。在孔305的边缘306，外加电极电压，从而导致在半径R处公式[-1-]的边界条件。

应当指出的是除了120°/60°/120°/60°分段电极之外具有不同对称性的电极也能用于激发四极，但其它对称性需要更多区段（和因此电极更复杂的激发）或同时激发六极，这可能会引入误差。

还应当指出的是，在此几何形状中，能激发偶极而不激发四极或六极。

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，其中，图4A示意性地示出电极布局，且图4B示意性地示出射线。

图4A示出包括带电粒子发射器102的粒子源100。提取器112从发射器提取电子。电极402使得电子束从轴线偏转，而电极404使得该束偏转回到轴线方向。漂移电极406与电极404和402一起充当透镜，而电极“内部”充当漂移空间。焦点形成于能量选择膜片110的位置。电极408使束平行于轴线弯曲使得离开该源的束与发射器所发射的束平行且对准。在电极408后方放置另一漂移电极410，所述另一漂移在所有电极上具有与漂移电极406相同的电压且因此两个漂移电极可被认为具有更错综复杂形式的一个漂移电极。

表3给出对于本发明的第三实施例，用于不同电极上的激发的概况

电极关于发射器的圆形透镜激发 [傅里叶电压]偶极激发 [傅里叶电压]四极激发 [傅里叶电压]1124600--402555251-0.6404527-19317.1406,4101000--4081000500.5

表3：对于第三实施例的电极激发[傅里叶电压]。

图4B示出对于第三实施例，在该源的x-z（420）和y-z平面（422）中的射线。

与第一实施例和第二实施例相比，此实施例的优点为更简单的布局（更少电极且也更少控制电压）且电压更低，导致更廉价的电子器件和更少的发火花机会。提出在此第三实施例中校正前置狭缝彗差。

与第一实施例和第二实施例相比，此第三实施例的不利在于在该狭缝后方并未解除色散：，且因此在该源之后看到的虚拟源的位置取决于能量且因此示出如图所示的彩虹。

对于表3所示的激发，在能量选择膜片处所形成的图像具有-2.65倍的放大。能量色散为1.54μm/V/，且因此在源大小与能量色散之间的比率比第一实施例和第二实施例所示的情形更佳。

如在其它实施例中，根据G.H. Jansen的公式，对于落在能量选择膜片上小于30nA的电流，无或仅可忽略量的Boersch效果和轨迹移位出现。

应提出对于所有三个实施例，当偶极场不存在时，照射能量选择膜片中的中央孔。显然，无需四极场，也无需操纵该束。以此方式，中心孔可用于获得大束电流而不进行任何能量过滤。发射器相对于轴线的未对准可需要补偿偶极场，例如，由提取器后面紧邻的电极(114, 402)造成。

本领域技术人员将认识到本发明可适用于更多实施例，每个实施例具有在图像放大的各向同性、彗差校正、不同能量的虚拟源位置的校正( )，发射器放大选择，离开该源的该束的能量选择，能量宽度选择，束电流选择、库仑相互作用等方面的优点和缺点。

如本领域技术人员已知的那样，光学元件，诸如静电或磁性圆形透镜，校正器、偏转器、消像散器等可用于在该源与待研究的样品之间操纵该束。在此操纵期间，能更改该源图像大小，且也通过加速或减速带电粒子来改变该束能量。