CN101019201A - 带电粒子枪 - Google Patents

Abstract

电子枪(1)包括发射器(2)，管状支撑件(3)和用于容纳发射器的接合器(4)。接合器包括锥形插接表面(7)并且管状支撑件包括相应的锥形支座表面(9)用于容纳插接表面。插接表面和支座表面具有圆锥形的外形，这有助于将接合器定位成与支撑件同中心。

Description

带电粒子枪

技术领域

本发明涉及一种带电粒子枪，尤其涉及，但不专指一种在电子束光刻系统中使用的电子枪。

背景技术

冷场发射电子枪或热场发射电子枪典型的包括半径为大约1μm或更小的的尖端和具有直径为大约300-700μm的孔的电极。如果在尖端和电极之间施加足够高的偏压，那么在尖端产生充分高的电场以从尖端抽取电子，从而产生电子束。

尖端和孔需要仔细的水平对齐并且垂直地间隔开。如果它们没有正确的对齐，由此引起的电子束会发生偏差并且与光学轴不重合。如果它们没有被正确的间隔，那么在能工作的电压下将不会发生抽取。

尖端设置在被称为发射器的单元中，发射器能够从市场上购买得到或内部制造。大部分从市场上购买到的发射器，例如来自美国FEI公司(TM)和日本Denka(TM)的发射器，具有圆柱形外壳并且尖端通过位于外壳端面中心的孔突出。

电子枪由发射器和电极构成。在将发射器和电极装配到电子束系统中之前可以将它们对齐或者在已装配的电子束系统中原位对齐。

在将发射器和电极装配到电子束系统中之前，将它们对齐的情况下，将发射器安装到电极上方可移动的平台上。本领域技术人员借助于显微镜将发射器和孔对准。一旦技术人员很满意于发射器的尖端和孔的对准，他或她就使发射器和电极固定在支撑件中。然后可以将平台移走。

发射器和电极在电子束系统中原位对齐的情况下，将发射器安装在可移动的平台上。通过移动发射器和监控电子束使发射器和孔对准。

两种类型的枪均要花费一定量的时间并且需要对准的技巧。

而且，在发射器和电极原位对准的情况下，可移动的平台构成枪系统的一部分，因而增加了它的复杂性。

本发明的目的是提供一种带电粒子枪。

发明内容

根据本发明，提供一种带电粒子枪，其包括发射器，用于容纳发射器的接合器，接合器具有截头圆锥体形状的插接表面，以及支撑件，支撑件具有相应的截头圆锥体形状的支座表面，其中接合器容纳发射器，并且当支撑件容纳接合器时，插接表面与支座表面紧密配合。

发射器可以插入到接合器之中并可从接合器的开口端突出。当支撑件容纳接合器的时候，接合器的内表面可以夹紧发射器的外表面。插接表面可为接合器的外表面并且支座表面可为支撑件的内表面。发射器可以位于支撑件的内腔区域中。支撑件可以为管状。接合器可以开有狭槽。

枪可以包括电极，电极可以为抽取器。电极可以具有孔，其中孔和支撑件同心。电极可以容纳在支撑件之中。

枪可以包括电极和用于容纳电极的另一个接合器，其中电极可以具有截头圆锥体形状的插接表面，接合器可具有相应的截头圆锥体形状的支座表面以及截头圆锥体形状的插接表面，并且支撑件可以具有另一个截头圆锥体形状的支座表面，并且当另一个接合器容纳电极的时候，插接表面与支座表面紧密配合，并且当支撑件容纳电极的时候，插接表面与另一个支座表面紧密配合。

电极的插接表面可以为电极的外表面并且另一个接合器的支座表面可以为另一个接合器的内表面。另一个接合器的插接表面可以为另一个接合器的外表面并且支撑件的支座表面可以为支撑件的内表面。电极可以位于支撑件的空腔区域中。使支撑件的一个截头圆锥体形状的支座表面相对于另一个颠倒过来。支撑件的截头圆锥体形状的支座表面可以是同心的。接合器可以由一种热膨胀系数大于支撑件和/或发射器的材料形成。

所述接合器的截头圆锥体形状的插接表面可以开有狭槽以提供指状部分。指状部分可以包括各自的弱接合处，其允许指状部分弹性地向内或向外移动。

根据本发明，还提供了一种带电粒子束枪，其包括发射器，用于容纳所述发射器的接合器，所述接合器具有第一紧密配合表面以及支撑件，所述支撑件具有相应的紧密配合表面，其中所述接合器容纳所述发射器并且当所述支撑件容纳所述接合器的时候，所述表面紧密配合。

表面可以为锥形并且可以为截头圆锥体形状。

附图说明

现在将通过实施例，参考附图对本发明的一个实施方案进行描述：

图1是根据本发明的电子枪实施方案的分解透视图；

图2是图1中示出的已装配的电子枪的纵向横截面视图；

图3是图1示出的支撑件的下部、接合器和电极的横截面视图；

图4是图1中示出的支撑件的上部、接合器和发射器的横截面视图；

图5说明了确定发射器与电极之间的间距所采用的测量法；以及

图6a和6b说明了支座高度随着发射器宽度的变化而变化。

具体实施例

电子枪1

参见图1和2，示出了根据本发明的电子枪1的实施方案。电子枪1是一种热场发射电子枪并且包括发射器2，支撑件3，第一接合器4，用于抽取电子的电极5以及第二接合器6。

第一接合器4和第二接合器6都用作插塞并具有各自的插接表面7，8。支撑件3通常为管状并以第一支座表面9和第二支座表面10的形式提供一对支座分别用于容纳第一接合器4和第二接合器6。

发射器2用作具有外表面11的插入件，并且第一接合器4以内表面12的形式提供了狭槽，用于容纳发射器2。

电极5用作插塞并具有插接表面13。第二接合器6以支座表面14的形式提供支座用于容纳电极5。

发射器2的第一端15经由接合器4的第一开口端16(在这种情况下即为底端)插入到第一接合器4中。向内部放射状的凸缘17设置在接合器4的第二开口端18上。发射器2从接合器4的第一开口端16突出。正如在后文中将会更加详细解释的那样，发射器2被接合器4的内表面12夹紧，尽管它也可以由一个或更多螺丝固定住(未示出)。

端子19从发射器2的第一端15延伸出来穿过接合器4的第二开口端17。发射器2的第二端20为截头圆锥体形状并且具有中心孔21，尖端22突出通过该孔。尖端22是电子束的来源(未示出)。

第一接合器4，与发射器2一起，经由支撑件3的第一开口端23(在这种情况下即为顶端)插入到支撑件3之中，直到插接表面7与第一支座表面9紧密配合。

第一接合器4的插接表面7为截头圆锥体形状。同样地，支撑件3的第一支座表面9也为截头圆锥体形状。因而，当插入到支撑件3中，第一接合器4位于支撑件3的第一内腔区域24中。

插接表面7和支座表面9具有圆锥形的外形，其有助于将第一接合器4定位成与支撑件3同心。

此外，相对于电极5可以将发射器2安排在特定的位置(在这种情况下即在特定高度)上。使发射器2与电极5隔开的方法将在下文中更加详细的描述。

电极5的第一端25(在这种情况下即为面向下游远离发射器的底端)经由第二接合器6的第一端26(也就是顶端，面向发射器)插入到第二接合器6之中，直到电极5的插接表面13与接合器6的支座表面14紧密配合。接合器6的第一端26经由支撑件3的第二开口端27(在这种情况下即为底端或下游端)插入到支撑件3之中，直到插接表面8与支撑件3的第二支座表面10紧密配合。

第二接合器6的插接表面8为截头圆锥体形状。同样地，支撑件3的第二支座表面10也为截头圆锥体形状，其相对于支撑件3的第一支座表面9是颠倒过来的。因而，当插入时，第二接合器6安放在支撑件3的第二内腔区域28中。

第一支座表面9和第二支座表面10同心地安放在支撑件3中。因而，当发射器2和孔5利用接合器4，6装配到支撑件3中时，它们也被同心地排列在一起。而且，枪1能够通过将电极5放置在第二接合器6中并将第二接合器6插入到支撑件中而被部分装配。如果对部分装配的枪的尺寸进行测量，那么第一接合器4可以构造成发射器2和孔5以特定的间距间隔开。

在本实施例中，使用圆锥形的外形，是因为能够以最小横切面偏心度和均匀的纵向锥度容易且精确地对表面进行加工制造。然而，也可以使用其它圆形对称的外形，例如抛物线或半球状外形。可选择地，可以使用其它旋转对称的外形，例如基于多边形的锥体外形。而且，外形可以是成梯级状的。

在发射器2中，尖端22具有小于1μm的半径。尖端22包括钨并且焊接在包含钨发夹状物的丝极29上。丝极29装配在由电绝缘基座31支撑的一对导电柱30上，依次将其固定在外罩32中。外罩32具有圆柱形的外表面，即表面11。外罩32由坚硬的导电材料，例如钼形成。如前面所描述，发射器的第二端20为截头圆锥体形状并用作抑制器盖子。第二端20具有直径为大约300-700μm的中心孔21，其与圆柱形对准表面11同心，尖端22突出穿过该孔。发射器的长度为19mm且直径为17mm。发射器2为热场发射发射器并且能从美国的FEI公司(TM)或日本的Denka(TM)购买得到。然而，发射器2可以提供冷场发射发射器。

支撑件3由电绝缘材料，例如氧化铝形成。然而可以使用其它陶瓷。可选择地，支撑件可以由导电材料，例如钼形成。支撑件3为35mm长并且大约31mm宽。

第一接合器4从第一端16向第二端18纵向开槽，从而限定出从环状部分34悬垂的纵向指状部分33。每个指状部分33都设置有弱接合处35，其允许指状部分33弹性地向内或向外移动或铰接。内表面12的直径与发射器2的外罩32测得的直径相对应并且在这种情况下就等于外罩32的直径。第一接合器4由坚硬的导电材料，例如钼形成。然而，它也可以由坚硬的电绝缘材料形成，例如陶瓷。第一接合器4长为14mm。

可选择地，如果发射器2的外罩32和接合器4由不同的材料形成，那么考虑到热膨胀系数的不同，在第一相对低的温度下，例如室温，表面12的直径可以设置成比外罩32的直径大，但是在相关的第二相对高的温度下，例如在其预期的、模拟的或测量的操作温度下，两者基本相等。

电极5包括具有中心孔37的封闭端面36，以及空腔38。孔37的直径为大约10μm并且与插接表面12同心。电极5由导电材料，例如钼形成。电极5的长度为10mm且直径为8mm。

对准的目的是要使尖端22和孔36的中心沿着共同的“光学的”轴38排列。因而，在使用中，电子束(未示出)沿光学轴39通过孔37传输到空腔38中并通过电极5的末端25到达电子束系统的其余部分(未示出)。

第二接合器6由导电材料，例如钼或钛形成。然而，它也可以由坚硬的电绝缘材料形成。接合器的长度为7mm。

如前所述，第二接合器6容纳电极5并且依次用作插塞被容纳在支撑件3中。然而，可使电极5和支撑件3构造成电极5由支撑件3容纳，不具有第二接合器6。

组装

组装电子枪1分为三步。第一，通过将电极5插入到第二接合器6之中并且将第二接合器6插入到支撑件3之中而部分地组装电子枪1。第二，为了在发射器的面20与电极35的面之间设置正确的间距，对部分组装的枪进行测量或校准，任意地使用已知尺寸的测试发射器。第三，将发射器2插入到第一接合器4之中并且将第一接合器4插入到支撑件3之中。

校准简化了间距。即使发射器2可以由其它不同直径的发射器替代，也可以利用校准系数对直径之差进行调节。

部分组装

参见图3，电极5和第二接合器6的插接表面13和支座表面14的斜率θ₁，θ₂设置成基本相同。同样地，第二接合器6和支撑件3的插接表面8和支座表面10的斜率θ₃，θ₄设置成基本相同。

支座表面14的最大直径φ_a和第二接合器6的插接表面8的最小直径φ_b被设置成使得电极5的封闭端面35位于特定位置(在这种情况下即在特定高度)或者在特定范围内的位置(高度)上。为了得到同样的结果，可以设定第一电极的插接表面13的最小直径和/或支撑件3的支座表面10的最大直径。

通过将电极5插入到第二接合器6之中并且将第二接合器插入到支撑件3之中而对电子枪1进行部分组装。

部分组装的枪的测量/校准

参见图4，第一接合器4和支撑件3的插接表面7和支座表面9的斜率θ₅，θ₆设置成基本相同。

参见图5，使用测试发射器2’进行校准工序。

测量测试发射器2’的长度a和直径φ。测量电极5的面36与支撑件3的开口端23之间的长度b。

将测试发射器2’插入到第一接合器4之中并且将第一接合器4放置在支撑件3之中。

测量发射器2’的第一端15’与接合器4的末端18之间的长度c。测量接合器4的末端18与支撑件3的开口端23之间的长度d。

因而，可以利用如下关系式求出电极5的面36与发射器2’的第二端之间的长度e：

e＝b-(a+c+d)              (1)

可以将上面的等式(1)重新排列而得出c：

c＝b-(a+d+e)               (1’)

可以将长度e设定成所需要的数值L，例如600μm，因此导出c的值，也就是c＝M。因而，如果测试发射器2’设置成c＝M，那么e＝L＝600μm。

参见图6a和6b，发射器2的直径φ’可以与测试发射器2’的直径φ不同。然而，接合器4能够适应具有不同直径的发射器2。如果接合器4的指状部分33能够向内或向外移动，这就能够实现。如果接合器的指状部分33移动，例如向内移动，以保持具有较小直径φ’＜φ的发射器2，那么接合器4就可以具有不同的直径。因而，接合器4位于不同的高度，在本实施例中，相对于支撑件3较低。为了补偿，可以改变发射器2的第一端15与接合器4的末端18之间的长度c’。

为了补偿直径的差异，可以为给定的e值确定校准系数k，例如e＝M＝600μm，或者理论上地作为插接表面7和支座表面9的斜率θ的函数，也就是θ＝θ₅＝θ₆来确定，或者通过测量至少两个具有不同直径φ的发射器的长度a，b和d根据经验确定。

因而，能够利用下式求出将产生e＝M的c^*值：

c^*＝kφ’               (2)

因而，一旦得到校准系数k，就可以通过测量发射器2的长度a’和它的直径φ’并调整c’使得c’＝c^*来调节发射器，从而当被组装时，发射器2和电极5以e’＝e＝M＝600μm被间隔开。

值得注意的是，可以测量对于发射器2的尺寸a’，b’和d’。而不必确定校准系数k，并且因而利用上面的等式1’(其中a＝a’，b＝b’，c＝c’，d＝d’以及e＝e’)直接导出c’的数值，以确保发射器2和电极5以特定的间距e’＝M，例如M＝600μm，被分隔开。

完成组装

电子枪1的组装通过将发射器2插入到第一接合器4之中，通过上述任何方法调整c’以获得所需的间隙尺寸e’＝M，并且通过将第一接合器4插入到支撑件3之中，从而完成电子枪1的组装。为了确保c’被固定，在接合器4插入到支撑件3中的过程中，利用一个或多个螺丝使发射器2和接合器4紧固或保持在适当位置上。

值得注意的是，如果不需要高度的调整，那么可以使用刚性的接合器。

值得注意的是，可以针对上文描述的实施方案作出许多修改。例如，电极可以为阳极。带电粒子枪可以为热电子发射电子枪。带电粒子枪可以为离子枪。

Claims (22)

1.一种带电粒子枪，其包括：

发射器；

用于容纳发射器的接合器，所述接合器具有截头圆锥体形状的插接表面；以及

支撑件，所述支撑件具有相应的截头圆锥体形状的支座表面；

其中所述接合器容纳所述发射器，并且当所述支撑件容纳所述接合器时，所述插接表面与所述支座表面紧密配合。

2.根据权利要求1的枪，其中所述发射器插入到所述接合器之中。

3.根据权利要求1或2的枪，其中所述发射器从所述接合器的开口端突出。

4.根据任一项前述权利要求的枪，其中当所述支撑件容纳所述接合器时，所述接合器的内表面夹紧所述发射器的外表面。

5.根据任一项前述权利要求的枪，其中所述插接表面为所述接合器的外表面，并且所述支座表面为所述支撑件的内表面。

6.根据任一项前述权利要求的枪，其中所述发射器位于所述支撑件的内腔区域中。

7.根据任一项前述权利要求的枪，其中所述支撑件为管状。

8.根据任一项前述权利要求的枪，其中所述接合器的所述截头圆锥体形状的插接表面开有狭槽以提供指状部分。

9.根据权利要求8的枪，其中所述指状部分包括各自的弱接合处，其允许指状部分弹性地向内或向外移动。

10.根据任一项前述权利要求的枪，包括电极。

11.根据任一项前述权利要求的枪，包括具有孔的电极，其中所述孔和所述支撑件是同心的。

12.根据任一项前述权利要求的枪，包括被容纳在所述支撑件之中的电极。

13.根据任一项前述权利要求的枪，其包括：

电极；以及

用于容纳所述电极的另一个接合器，

其中所述电极具有截头圆锥体形状的插接表面，所述接合器具有相应的截头圆锥体形状的支座表面以及截头圆锥体形状的插接表面，以及所述支撑件具有另一个截头圆锥体形状的支座表面，并且当所述另一个接合器容纳所述电极时，所述插接表面与所述支座表面紧密配合，并且当所述支撑件容纳所述电极时，所述插接表面与所述另一个支座表面紧密配合。

14.根据权利要求13的枪，其中所述电极的所述插接表面为所述电极的外表面并且所述另一个接合器的所述支座表面为所述另一个接合器的内表面。

15.根据权利要求13或14的枪，其中所述另一个接合器的所述插接表面为所述另一个接合器的外表面并且所述支撑件的所述支座表面为所述支撑件的内表面。

16.根据权利要求13，14或15中任一项的枪，其中所述电极位于所述支撑件的空腔区域中。

17.根据权利要求13至16中任一项的枪，其中所述支撑件的一个截头圆锥体形状的支座表面相对于另一个颠倒过来。

18.根据权利要求1至17中任一项的枪，其中所述支撑件的所述截头圆锥体形状的支座表面是同心的。

19.根据任一项前述权利要求的枪，其中所述接合器由热膨胀系数大于支撑件和/或发射器的材料形成。

20.一种带电粒子枪，其包括：

发射器；

用于容纳所述发射器的接合器，所述接合器具有第一紧密配合的表面；以及

支撑件，所述支撑件具有相应的紧密配合表面；

其中所述接合器容纳所述发射器，并且当所述支撑件容纳所述接合器时，所述表面紧密配合。

21.根据权利要求20的枪，其中所述表面为锥形。

22.根据权利要求20或21的枪，其中所述表面为截头圆锥体形状。

Images