CN101681783A - 用于电子柱的磁偏转器 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及一种用于生成电子束的微柱的偏转器，并且尤其涉及一种能够使用磁场来对电子束进行扫描或偏移、或用作象散校正装置的偏转器。根据本发明的偏转器(100)包括一个或多个偏转器电极。所述偏转器电极中的各个偏转器电极包括由导体或半导体制成的铁芯(12)以及缠绕该铁芯(12)的线圈(11)。

Description

用于电子柱的磁偏转器

技术领域

本发明主要涉及一种用于生成电子束的微柱(microcolumn)的偏转器，并且尤其涉及一种能够使用磁场对电子束进行扫描或偏移、或用作象散校正装置的偏转器。

背景技术

传统电子柱通常以以下方式进行工作：电子发射器发射电子，源透镜将所述电子形成为电子束，偏转器对所述电子束进行偏转，以及聚焦透镜将偏转后的电子束聚焦至样品上。

存在一种在电子柱中使用磁偏转器的实例，然而此类磁偏转器一般用于大型电子柱中，且仅为非常大的普通磁偏转器。

因此，在传统微柱中，此类偏转器主要通过使用电场来偏转电子束。

图1是概念性地示出了基于公知扫描隧道显微镜(STM)校准场方法的概念的1KV微柱的剖视图。图1中示出了源透镜1、偏转器2以及Einzel透镜(单透镜)3。连接到STM型定位器的电子发射器5发射电子束6至样品表面9。该电子束6穿过源透镜1，该源透镜1由硅微透镜(例如，位于该源透镜1中心轴线上的直径为5μm的提取器、直径为100μm的加速电极以及直径为2.5μm的限制光圈(limiting aperture))所构成。所述偏转器2置于源透镜1的下方。所述偏转器由八个电极(如图1右侧的平面图A中所示)所构成，并且扫描从源透镜1发射的电子束。在此之后，电子束6穿过Einzel透镜3。该Einzel透镜由直径为100至200μm、且其中心形成有厚度为1至2μm、大小为1×1mm的硅孔的硅微透镜所构成。各个硅层通过使用绝缘垫片而分开，且相互之间相隔预定间隔。在此之后，电子束6入射到样品表面9上，从而使得第二电子被发射，且通过使用通道倍增检测器(Channeltron detector)而被检测。

一般而言，上述透镜和检测器均通过微型机电系统(MEMS)工艺而被制造，以作为电子透镜来使用。当然，偏转器可以通过使用缆芯线来实现，但仍旧要通过MEMS工艺来制造，以达到精度以及便于电子柱的制造。然而，电子透镜一般通过使用电场或磁场而用作光学透镜，而偏转器一般也通过使用电场来执行偏转。然而，对于这些透镜而言，在使用电场的情况下，球面像差以及色差均很差，或者必须施加大约100V的高压。因此，在当前情况下，由于微柱的大小限制，很难使用普通磁偏转器，因此亟需开发一种可用于微柱的磁偏转器。

发明内容

因此，本发明意欲解决上述微柱中的传统电子偏转器中所存在的问题，以改进性能，且本发明的目的在于提供一种偏转器，该偏转器可使用偏差小于电场的磁场来偏转电子束，或者选择性地使用电场和磁场、或同时使用电场和磁场。

为达到上述目的，本发明提供一种用于微柱的偏转器，该偏转器包括一个或多个电极，各个电极具有铁心以及缠绕在该铁心周围的线圈。进一步地，本发明的特征在于，所述电极呈辐射状或环状形成于电子束的路径上。

首先，将根据本发明的磁偏转器的基本原理作如下描述：

图10示出了在电子受到由电场和磁场所产生的力的作用下的情况下的示意图。通过施加电压，电偏转器在其中心生成E＝V/d的电场，从而电子会受到力q_eE。在使用了磁偏转器的情况下，当使电流流过绕组线圈时，会在线圈中心生成磁场，该磁场的磁场强度 $B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{a}^2}{{(d^2+a^2)}^{3/2}}\mathrm{NI}.$ 穿过该空间的电子会受到由磁场所产生的力q_evB，其中v是电子的速度且由电子发射器的尖端电压(tip voltage)V_tip所决定，也就是，

$V_{\mathrm{tip}}\left(\mathrm{eV}\right)=\frac{1}{2}{m}_e{v}^2$

$\⇒v=5.9\×{10}^5\sqrt{V_{\mathrm{tip}}}(m/s)$

在磁场所产生的磁力与传统电转换器所产生的电力相等的情况可通过以下等式表示：

$\left|F_B\right|=\left|F_E\right|\⇒q_e\mathrm{vB}=q_{e}E$

$\mathrm{NI}=\frac{{(d^2+a^2)}^{3/2}}{{\mathrm{\μ}}_0{a}^2}\frac{V}{\mathrm{vd}}$

因此，所述磁力可通过调节线圈匝数以及流过线圈的电流I而得到控制。在上述等式中，NI取决于线圈的半径‘a’、线圈之间的间隔‘d’以及电子的速度‘v’，且图11示出了NI所对应的关系图。

当尖端电压增大时，电子的速度会增大。随着速度增大，即使磁场强度均匀，所述磁力仍会增大。因此，这意味着可通过使用较低的与电子的速度成反比的NI来控制电子。相比于随着电子速度的增大、必需向其施加高电压的电偏转器，这可被视为一巨大进步。

磁场的强度取决于间隔‘d’以及偏转器中心的半径‘a’。因此，NI也随这两个值而变化。图12和图13示出了NI与这两个值的关系。

随着偏转器的间隔‘d’和半径‘a’的增大，NI示出了先增大、再减小的形式。当偏转器的间隔或半径增大时，磁场和电场在偏转器中心处的强度均会衰减，从而需要较大的NI值。NI值最小化的条件是a²-2d²＝0。因此，当满足 $a=\sqrt{2}d$ 时，可得到最小NI值。

如上所述，根据本发明的用于微柱的磁偏转器可很容易地生成电场和磁场，从而可根据情况，使用电场和/或磁场来偏转电子束。而且，当电子发射器的尖端电压增大时，电子的速度会增大，从而在使用传统电偏转器的情况下必须施加高电压，而在使用磁偏转器的情况下，仅通过使用少量的电流便可使电子得到充分的控制。因此，本发明可根据电子的速度，通过选择性地使用磁偏转器和电偏转器来有效控制电子束。

进一步地，根据本发明的用于微柱的磁偏转器还可用作用于校正象散现象(astigmatism)的象散校正装置。

进一步地，根据本发明的用于微柱的磁偏转器可用作用于在某一方向上校准电子束路径的偏转单元。

附图说明

图1是一般电子柱的剖视图；

图2是根据本发明的磁偏转器的平面图；

图3是根据本发明的磁偏转器的一种实施方式的透视图；

图4是用于制造根据本发明的磁偏转器电极的流程的视图；

图5是包括图4中的磁偏转器电极的偏转器的平面图；

图6是使用了根据本发明的磁偏转器的微柱的剖视图；

图7是一种结构的平面图，在该结构中，根据本发明的磁偏转器被用作象散校正装置；

图8是图7中的偏转器所执行的电子束散光校正的平面示意图；

图9是一种实例的平面图，在该实例中，根据本发明的磁偏转器电极的布局有所改变；

图10是在电子受到电场和磁场力的情况下的概念性视图；

图11是示出了NI与尖端电压之间的关系的视图；

图12是示出了NI与半径‘a’之间的关系的视图；以及

图13是示出了NI与间隔‘d’之间的关系的视图。

具体实施方式

下文将参考附图详细描述根据本发明的用于利用电子束对扫描对象进行扫描的偏转器。

图2是根据本发明的偏转器的一种实施方式的平面图。在图2中，偏转器100包括四个偏转器电极10。每个单元偏转器电极包括铁心12(该铁心由导体(例如，金属)或高掺杂半导体制成)以及缠绕该铁心12的线圈11。线圈11可通过使用涂层导线(例如，漆包线)来实施，以使得线圈11可缠绕所述铁心12。虚线所指示的环17代表电子束在偏转器100内所经过的路径，且该电子束在环17内被偏转。如图2所示，在各个偏转器电极中，所述铁心一般通过由钼或其他金属所制成的金属导电杆来实施，而所述线圈可通过使用普通漆包线或其他导线来实施。当然，可将根据本发明的磁偏转器配置为仅包括线圈而不包括导电铁心，但是优选地，将偏转器配置为包括导电铁心，以实现更高精确度、更高强度的偏转。也就是说，每个偏转器电极可被制造成电磁铁形式，并通过使用该偏转器电极来制造磁偏转器(该磁偏转器类似于传统电子柱中的偏转器)，从而可通过该磁偏转器执行偏转。

图3示出了一种结构，在该结构中，两个偏转器电极10被按照以下方式配置：单条导线以线圈11的形式缠绕两个铁心12。在此情况下，由于仅使用了单条导线，因此受控偏转器电极的导线数量可减半。也就是说，其原因是，导线的数量被减少为在每个偏转器电极的线圈均由单条导线所形成的情况下的导线数量的一半。因此，当使用图3中的线圈时，铁心优选地彼此相对。然而，铁心并非必须要彼此相对，而是还可根据需要以45、90或120的角度来安置和使用铁心。偏转器的另一典型用途为用作象散校正装置，这将会在下面详细描述。当三个铁心被操作为形成一组时，各个线圈相互串联，从而与这三个铁心相对应的两条导线可以被连接至外侧，并可以被控制。

优选地，所述偏转器电极单元呈辐射状安置在电子束经过的路径的外侧。为了通过最小化导线的数量来促进控制，如上图所示，如果对称电极使用穿越中心孔的单个条连续线圈，则基于同等效果，可减少控制对象的数量。

进一步地，根据本发明的偏转器可通过MEMS工艺来制造。

图4示出了通过MEMS工艺来制造根据本发明的磁偏转器的一个实例。

首先，在步骤(a)，通过使用诸如金属的导体或半导体材料，将七条导线以长条形状的图案形成，以在绝缘板410上迂回(obliquely)形成下层线圈420。进一步地，在各线圈两端421和422设置分隔区，以易于实现连续迭片，而且下层线圈导线425迂回地连接在所述分隔区之间。在步骤(b)，将步骤(a)中所设置的除迭片区(线圈两端)之外的所有下层线圈均覆上绝缘材料，从而形成绝缘层430，且两端431和432保留于绝缘层430上，以保留线圈两端。在步骤(c)，通过使用导体，将两端441和442层迭于所保留的迭片区之上，且该两端441和442从所述绝缘材料突出。在步骤(d)，在各个线圈两端之间形成长四面体形状的导体或半导体，以用作铁心，从而形成铁心单元450。在步骤(e)，如步骤(b)那样，将位于线圈两端的分割单元471和472以及铁心单元450覆上绝缘材料，从而形成绝缘层460。在分割单元471和472之间，形成长条形状的图案的上层线圈导线475，以使得上层线圈导线的图案与步骤(a)所形成的图案相互交替，从而完成了线圈的制作。以此方式，可形成具有线圈缠绕铁心的形状的偏转器电极473和474。在步骤(e)，分割单元473和474均可用来布线，且可在单个板上形成与所需偏转器电极的数量相对应数量的分割单元473和474。电子束穿过的部分可通过蚀刻或激光处理来形成。

图5示出了由图4中的磁偏转器电极所构成的偏转器的平面图，其中八个偏转器电极10在单个支撑板19的平面内形成了偏转器100。在该偏转器100的中间形成了光圈(aperture)17，以允许电子束从其中穿过。所述电子束被偏转器电极10偏转。在附图中，所述光圈被形成为圆形形状，然而任何形状的具有足以允许电子束被偏转大小的光圈，例如多边形光圈，诸如三角形或矩形光圈，均可用作根据本发明的偏转器的光圈。

本发明的偏转器可根据铁心而被分类为开放式偏转器和封闭式偏转器。所述开放式偏转器指的是各个电极具有其独立的铁心且被单独控制的偏转器。在开放式偏转器中，各个电极被单独控制，从而会增加偏转时变量的数量。因此，在多电子柱的情况下，控制可能是很复杂的，但当需要多种类型的控制时，该开放式偏转器可能是优选的。也就是说，当铁心被用作混合类型时，例如电偏转器，使用开放式偏转器是有益的。

所述封闭式偏转器指的是各个电极仅使用各自的线圈、但相互之间共享公共铁心的偏转器。因此，当使用多个偏转器电极作为偏转器时，多个线圈可缠绕在单个铁心上来使用，从而封闭式偏转器是有益的。

图6是使用本发明的磁偏转器的微柱的剖视图，且示出了使用根据本发明的磁偏转器200的一种实施方式。图6示出了一种结构，在该结构中，具有与图1中电子柱相同构架的偏转器200可被实施为两层210和220，该两层之间的间隔由绝缘层230来保持，且偏转器上层210和偏转器下层220被彼此相对放置。所述偏置器可以按照与普通偏置器相同的方式被使用。

图7是一种结构的平面图，在该结构中，本发明的偏转器用作象散校正装置，且该图示出了各个相邻的偏转器电极10形成配对，且用于校正偏差，例如校正穿过中心光圈17的电子束的象散现象。每对偏转器电极形成磁场，从而减轻所述电子束的偏差。各个电磁场吸引或排斥穿过所述中心光圈17的电子，从而可校正电子束的偏差。

图8示出了使用图7中的偏转器校正电子束B的过程的平面示意图。该图示出了使用本发明的偏转器的电磁场，通过排斥或吸引被扭曲的环形电子束B而将被扭曲的环形电子束B恢复至正常环形电子束的过程。

根据本发明的在磁偏转器中偏转电子束的方法可控制流入各个偏转器电极的线圈中的电流的方向和大小。在上述磁偏转器中，线圈连接至外部电流源，从而电流的大小和方向可得到控制。

根据本发明的偏转器可被用于替换传统偏转器，且其位置可根据需要而改变。也就是说，偏转器可置于传统Einzel透镜与样品之间，以执行偏转。根据环境，偏转器在所需特定位置处的放置可通过使用与传统偏转器相同的方法来执行。

当在根据本发明的磁偏转器中的铁心上进行布线时，该偏转器可直接被用作传统电偏转器。因此，当使用相同结构将导线连接至线圈和铁心时，偏转器可用作电偏转器和磁偏转器。当没有电流源连接至线圈且仅向根据本发明的磁偏转器中的铁心施加电压时，偏转器可用作电偏转器。相反，当来自电流源的电流被施加给线圈时，偏转器可用作磁偏转器。当电压被施加给线圈与铁心时，偏转器可用作电磁偏转器。

进一步地，根据本发明的磁偏转器可与传统偏转器具有相同的用途。也就是说，已用于执行偏转的所有方法均可以按照相同的方式被使用，且偏转器还可用作电磁偏转器，从而与传统偏转器相比，本发明的偏转器可以各种形式被使用。例如，在图6中，可通过将偏转器200安装至Einzel透镜3或聚焦透镜之下的部分以执行偏转，而且还可通过安装其他偏转器来在最后增加偏转。进一步地，偏转器可用作用于在电子束路径变得不正常时偏移电子束路径的偏转单元，而不管该偏转器在微柱上的位置如何。

对于偏转的控制而言，仅需控制线圈电流，而不是进行电压控制。当偏转器用作电磁类型时，仅需将单独的导线连接至铁心，从而可通过直接将电压施加给铁心而进行控制，如同电磁电极那样。在扫描时施加电流或电压之后，仅需执行普通扫描控制即可。进一步地，当偏转器执行电子束校准、或用作象散校正装置时，仅需将相反电流或恒定电压施加给相应的偏转器电极。

图9示出了一种实例的平面图，在该实例中，根据本发明的磁偏转器电极的放置有所改变。

如图9所示，与图5不同的是，磁偏转器电极10以矩形形状而被放置在支撑板19上光圈17周围。以此方式放置的磁偏转器通过线圈生成的磁场来偏转电子束。各个磁偏转器电极10经由导线21而被连接至设置于支撑板19的一部分处的布线部分22，且该磁偏转器电极10通过所述布线部分22而被控制。

在图9中，磁偏转器按照矩形的形状来放置，但还可按照三角形或多边形的形状来放置。各个磁偏转器电极可形成为弧形形状，以使得各个磁偏转器电极可被整体放置成等同或类似于围绕在电子束经过的光圈周围的环形的形状。然而，从控制方面而言，上述对称放置在某些情况下可能是更为方便的。

工业实用性

如上所述，使用根据本发明的磁偏转器的微柱可用于电子显微镜、半导体光刻、或使用电子束的检查装置，例如，经由半导体装置的孔/接触孔来进行的缺陷检查、样品表面检查和分析、以及TFT-LCD装置中的薄膜晶体管(FET)的缺陷检查。

Claims (9)

1、一种用于微柱的磁偏转器，该磁偏转器包括：

一个或多个偏转器电极，各个偏转器电极包括：

由导体或半导体制成的铁心；以及

缠绕所述铁心的线圈。

2、根据权利要求1所述的磁偏转器，其中两个或多个偏转器电极在各个线圈之间相互串联，且被同时控制。

3、根据权利要求1所述的磁偏转器，其中所述磁偏转器呈辐射状彼此相对放置且与电子束经过的路径垂直，或者以环形或多边形的形状而被放置。

4、根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的磁偏转器，其中，当所述铁心彼此相对放置时，将控制电压或电流分别施加给所述铁心和所述线圈，以选择性地或同时地控制所述铁心和线圈。

5、根据权利要求4所述的磁偏转器，其中所述铁心用作象散校正装置或用于校准电子束的偏转单元，且附加条件为所述线圈选择性地或同时地用作偏转器；或者所述线圈用作象散校正装置或用于校准电子束的偏转单元，且附加条件为所述铁心选择性地或同时地用作偏转器。

6、一种使用根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的磁偏转器的微柱。

7、根据权利要求6所述的微柱，其中，当所述磁偏转器的铁心彼此相对放置时，将控制电压或电流施加分别给所述铁心和线圈，以选择性地或同时地控制所述铁心和所述线圈。

8、根据权利要求7所述的微柱，其中所述铁心用作象散校正装置且附加条件为所述线圈选择性地或同时地用作偏转器，或者所述线圈用作象散校正装置且附加条件为所述铁心选择性地或同时地用作偏转器。

9、根据权利要求6-8中任一项权利要求所述的微柱，其中所述磁偏转器放置于聚焦透镜下方。

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