[发明专利]改进的粒子束发生器

说明书

技术领域

本发明涉及一种改进的粒子束发生器，并且更特别地涉及一种微型扫描电子 显微镜(SEM)。

尽管以下描述主要涉及扫描电子显微镜，这里要提到的是本发明被认为是更 广泛的范围，并且尤其涉及通常地电子和/或离子束的生成。

背景技术

在申请人先前的名称为“粒子束发生器”的国际专利申请WO2003/107375中， 描述了一种适用于微型电子(或离子)束发生器，尤其适用于SEM的设计，其能够 在低能量下(小至300eV)聚焦从纳米尖端发出的电子(或离子)下至原子尺度。 在SEM情况下，粒子束聚焦到其上的衬底是待检测的样品，但粒子束的其它用途， 与样品反应、被样品反射或被样品吸收等方式也被上述发明和本发明所预期。

先前设计基于两个基本原理。第一，设备的总尺寸和焦距被减小到微米级(典 型地小于20微米)，第二，通过在接近场发射产生电子(或离子)的纳米尖端处 施加强电场来防止从纳米尖端产生的电子扩张超过约100nm直径。

因此，该显微镜通过直接成像在纳米尖端上的发射位置(离子或电子)工作 而不同于常规的大规模显微镜，其由于像差而需要更高的电压且即使这样它仅能 达到成像系统中孔隙的分辨率(通过电子/离子源照明)。

图1示出了现有技术设置的一个实施方式，其为被绝缘材料(灰色阴影)2 分隔的电极(黑色实体)3A-D的微米尺度设置，两者都有对齐的孔隙用于提供 穿过整个装配体的通道。要指出的是在这种设置中不同组成层的外径可能不同于 由直线AB定义的所有外径都相同。本质上，这是一个具有穿过其中的孔的多层 薄膜，该孔定义出显微镜的轴并且通过它使电子束4加速、聚焦在显微镜后的点 5，从最末端的电极到达焦点的距离典型地是约5微米。当提取电极3A与纳米尖 端的电压足够时，电子从纳米尖端1发射，典型地纳米尖端电压约-320伏(V1) 且提取电极3A电压为-300伏(V2)以产生320eV电子束。电子束穿过上述孔并 在朝第二电极方向被加速，这是因为第二电极电压为0V(V3)，由此在具有长度 为“a”典型地小于3微米的第一绝缘部形成一强电场。电子束也被入口透镜聚 焦后在ACC部形成一狭窄电子束，该电子束直径典型地小于100nm并进入MEZL 部，该MEZL部是一个微型Einzel单透镜(microscale Einzel lens)，典型地其 具有300nm的孔隙且电极厚度u约为300nm、v约为400nm。绝缘部分的厚度b 和c按照电子束所需的总能量变化，但典型地对于300eV电子束它们小于3微米。 在这种设置的情况下，外层两个电极的电压V3和V5的电压为0，同时对于300eV 电子束，中间电极电压V4可以(典型地)从-300变化至+300伏，改变这个电 压当然能够改变电子束焦点的位置。

这种设置的一个主要优势是入口的聚焦效果取决于电子束的总能量V1，这 是因为电场的强度仅是V2-V3＝V1+20伏。这表明不是在全部能量下的同样的射 束都能分散或集中进入微型Einzel单透镜，因此该设置仅适用于特定能量

由于在许多应用中均需要在不同能量下进行研究，因此，本发明的一个目的 就是提供一种能够供给不同能量的发射电子/离子束的微型SEM，而不需要显著 地改变射束的焦距或更改相对标准的Einzel单透镜结构(Einzel lens structure)。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一个粒子束发生器，包括：粒子提取装置，其置 于与粒子源相邻，并且可操作的从该源提取粒子至提取装置的孔隙中以形成粒子 束；粒子加速装置，其可操作地用于加速所提取的粒子以增加射束的能量；聚焦 装置，其可操作地用于聚焦粒子束，上述提取装置、加速装置和聚焦装置顺次排 列并具有穿过其中的孔隙，成一直线以限定一个约束粒子移动的通道，特征在于 提取装置包括一种至少包含有至少一对被绝缘材料层分隔的电极的透镜结构，允 许施加不同电压于每个该透镜结构的电极上，包含提取板的一个上述电极中形成 有提取孔隙，提取板放置于依靠粒子源和提取板之间不同电压将粒子从粒子源中 提取出并穿过提取孔隙的位置。

靠近粒子源具有多重电极的提取装置不仅使提取出的进入并穿过提取装置 的孔隙的粒子随后传送到该设备的加速装置，并且能在相对短的提取装置中产生 一些聚焦效应和不同射束能量，这是因为可以施加不同电压到所述提取装置的每 个不同的电极。