CN102047375A - 用于电子柱的多极透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于微柱的电子透镜，并且更为具体地涉及一种多极电子透镜，其中所述电子透镜包括两个或更多个电极层，每一电子层具有从电子束沿其通过的中心光轴延伸的狭缝，且所述两个电极层在电子光轴上对准，以使得所述狭缝相互错开。进一步，本发明涉及使用所述多极透镜的微柱。根据本发明的多极透镜可以以简化方式被制造和控制，减小了微柱的散焦，并增大的有效偏转区域。

Description

用于电子柱的多极透镜

技术领域

本发明涉及电子透镜，并且尤其涉及一种多极电子透镜，该多极电子透镜用于最小化由电子透镜(该电子透镜控制电子柱(诸如，微柱)中的电子束)的电子光学视点中的像差所导致的电子束畸变。

背景技术

电子柱包括电子发射源和电子透镜，创建并扫描电子束，并用于电子显微镜、半导体光刻、或使用电子束的检验设备，诸如用于检验半导体设备的通路孔/接触孔的设备、用于检验和分析样本表面的设备、或用于检验TFT-LCD设备的薄膜晶体管(TFT)的设备。

此类电子柱的代表例为微柱。基于电子发射源以及具有微细结构的电子光学部分的微柱于1980年被首次引入，该微柱可根据扫描式隧道显微镜(STM)的基本原理来工作。微柱可通过允许微细结构被巧妙地组装(从而可形成改善的电子柱)来使得光学像差最小化。可对多个细小结构进行排列，然后可将其用于具有并联式或串联式结构的多型电子柱结构中。

图1为示出了微柱的结构的示意图，该图显示了电子发射源、源透镜、偏转器以及单透镜被对准并扫描电子束。

一般而言，微柱(即，典型的非常小型的柱)包括电子发射源10，该电子发射源10被配置为发射电子；源透镜20，该源透镜20被配置为包括三个电极层，以发射、加速以及控制电子束，并将所发射的电子转换为有效的电子束B；偏转器30，该偏转器30用于对电子束进行偏转；以及聚焦透镜(单透镜)40，该聚焦透镜40被配置为将电子束聚焦至样本S。一般而言，所述偏转器位于源透镜与单透镜之间。

为了以一般方式操作微柱，可将范围为大约-100～-2kV的负电压施加至电子发射源，且源透镜的电极层共同接地。

所述单透镜(即，聚焦透镜的一个示例，用于对电子束进行聚焦)以下述方式来对电子束进行聚焦，即，将该单透镜两侧的外部电极层接地，并将负(-)电压(减速模式)或正(+)电压(加速模式)施加至中心电极层。

在同一操作距离处，减速模式中的聚焦电压幅值小于加速模式中的聚焦电压幅值。可施加同步偏转电压，以调节电子束的路径，并在之后以规则的时间周期将该电子束扫描至样本表面。所述电子透镜(诸如，上述源透镜或聚焦透镜)包括两个或更多个电极层(每一电极层在其中心处包括具有圆形或预定形状的孔，以允许电子束从中穿过)，并控制所述电子束。该电子透镜一般由三个电极层构成。

所述电子发射源(即，传统电子柱的核心组件之一)为用于发射电子的源，且场致发射发射器(FEE)、用作热离子发射源的热发射器(TE)、或热场发射器(TFE)可用作该电子发射源。所述电子发射源要求稳定的电子发射、高电流、小体积、低能量扩散以及长寿命。

所述电子柱可被分类为单个(single)电子柱和多型(multi-type)电子柱，每一所述单个电子柱包括单个电子发射源以及用于控制由该电子发射源所生成的电子束的电子透镜，而每一所述多型电子柱包括用于控制由多个电子发射源所发射的多个电子束的电子透镜。所述多型电子柱可被分类为薄片型电子柱、组合型电子柱以及阵列型柱。每一所述薄片型电子柱包括电子发射源和电子透镜，该电子发射源被配置以使得多个电子发射源尖端被设置于单个层(诸如，半导体片)中，该电子透镜被配置以使得其中单个层中形成有多个孔的透镜层相互堆叠。每一所述组合型电子柱被配置为通过使用具有多个孔的单个透镜层以类似于单个电子柱的方式控制由各个电子发射源所发射的电子束。每一所述阵列型柱被配置以使得单个电子柱被安装且用于单个壳体内。在组合型电子柱的情况下，电子发射源是分开的，但透镜的使用方式与薄片型柱中的透镜的使用方式相同。

针对电子柱的性能，电子透镜具有类似于一般光学透镜的电子光学像差问题，从而电子柱的电子透镜内会因像差(诸如，电子光学视点的球面像差、像散以及慧形像差(coma))而发生诸如射束畸变现象或散焦现象的问题。此外，由于制造过程所出现的机械精度问题，孔的形状不是完全对称、或者而并未实现相互之间的孔的对准，而且电极的污染会影响场强，从而不可能制造出可产生电场强度完全对称的电场的电子透镜。因此，即使所述孔是圆形的，一般亦会发生像散。为缓解这些问题，提出了八极透镜，且该八极透镜已成为传统技术。此外，在电子柱中，电子束必须被偏转，并在之后扫描样本。因此，当电子束因偏转而偏离聚焦透镜的中心光轴、并穿过该聚焦透镜时，可对该电子束进行扭曲。因像散和电子束畸变现象而导致的电子束扩大现象会对电子柱的分辨率产生负面影响。

此外，传统的八极透镜以及其他多极透镜因多个电极分布于单个透镜层上而具有难以制造、控制以及对准的问题。

发明内容

本发明的目的在于，在用于对电子束进行聚焦的透镜中提供一种多极透镜(该多极透镜易于制造，且可使用简单操作方法进行操作)，以改善电子柱内因像散而产生的分辨率降低现象。

本发明的另一目的在于，独立提供用于对电子束的对准进行调节的装置以及用于对上述改进电子透镜结构中的电子束进行偏转的装置，以改善由聚焦透镜内的像散所导致的电子束畸变现象。

为实现上述目标，本发明提供一种聚焦透镜结构，该聚焦透镜结构在电子柱的电子光轴周围的各个角度处具有电极。

此外，本发明提供一种结构，其中聚焦透镜结构包括四个电极层，两个外侧的电极层包括标准孔，而两个内侧的电极层包括纵向长度孔或横向长度孔。

此外，为实现上述目标，本发明提供一种多极电子透镜，该多极电子透镜包括两个或更多个电极层，其中每一电极层具有跨越中心光轴延伸的狭缝，电子束沿所述中心光轴通过，且所述电极层沿着电子光轴排列，以使得所述狭缝位于不同方向。

此外，本发明提供一种电子柱，其中聚焦透镜包括多极透镜。

本发明所优选提出的纵向长度狭缝或孔以及横向长度狭缝或孔被配置成他们相互相对的结构。上述包括具有狭缝或孔的电极层的电子透镜被称之为多极透镜。

此外，本发明提供一种包括电子发射源、电子透镜以及偏转器的电子柱，其中所述聚焦透镜包括多极透镜。

在传统电子柱(如图1所示的电子柱)中，当电子束聚焦于样本上并扫描穿过样本时，会发生电子束束斑散焦和畸变。具体而言，当偏转器对电子束进行偏转时，该电子束偏离聚焦透镜的中心光轴，从而使得该电子束所形成的束斑的形状被扭曲。

上述电子束束斑的扩大及畸变现象由发生于源透镜和聚焦透镜中的像散以及发生于聚焦透镜中的球形及慧形像差所引起。

因此，本发明提供一种电子透镜的电极结构，以减小电子束束斑的尺寸扩大以及形状畸变。

可以制造电子柱，在该电子柱中，可通过使用本发明的多极透镜来作为聚焦透镜(例如，单透镜)的内部中心电极层、并适当将使用多极透镜的聚焦透镜布置于对准器与偏转器之间，来减小由散焦所导致的电子束束斑的扩大以及由偏离电子束的中心光轴所导致的电子束束斑的畸变。

对于单透镜(即，本发明中的聚焦透镜)而言，可使用上述多极透镜替换中心电极层(该中心电极层为三个电极层之一且未接地，并对其单独施加电压)，且对于源透镜而言，上述多极透镜可用于未接地的中心电极层。虽然整个源透镜可接地并在之后被使用，但包括三个电极层的源透镜可用于通过施加电压至中心电极层而将电子束聚焦，在此情况下，可将多极透镜应用至中心电极层。对于上述聚焦透镜而言，优选地，其中两个透镜层在正交方向上对称排列的四极透镜可用作多极透镜。

对此的原因是，当其用于传统单透镜时，优选使用总共四个透镜层。以下将对具体原因进行详细描述。

根据本发明的包括多极透镜电极的单透镜以及包括源透镜的电子柱可被设计成各种排列，且本发明的多极透镜电极可不包括于单透镜或源透镜内，但可用作单独的独立电极。

根据本发明的多极透镜的优点在于，可通过使用类似于在具有传统圆形或类似形状孔的透镜电极层中提供狭缝、或椭圆或类似形状孔的方法，来容易地制造每一电极层。

使用根据本发明的多极透镜的电子柱可改善电子柱的分辨率，因为其可创建小的均匀电子束束斑。

此外，根据本发明的使用多极透镜、对准器以及偏转器的电子柱可改善实际有效偏转区域，因为其可减小由样本周围区域内所发生的各种类型的畸变所导致的电子束束斑偏转散焦。

此外，根据本发明的多极透镜可助于透镜的控制，因为与传统电子透镜相比，当多极透镜用于执行聚焦功能的电子透镜中时，减少了待控制的电极的数量。

此外，根据本发明的多极透镜具有助于多型微柱的制造的优点，因为其可以以类似于传统电子透镜电极层的薄片形式而被很容易制造，且具有助于透镜的控制的优点，因为待控制的电极的数量很少。

附图说明

图1为示出了传统微柱的结构的截面图；

图2为示出了根据本发明的多极透镜的一个示例的透视图；

图3为示出了根据本发明的多极透镜的另一个示例的透视图；

图4为示出了根据本发明的多极透镜的再一个示例的透视图；以及

图5为示出了使用根据本发明的四极透镜的微柱的结构的截面图。

具体实施方式

本发明被提供用于通过在电子柱内使用多极透镜，来形成低像差、高分辨率的电子束束斑。

本发明提供了一种静电多极透镜，该透镜不仅可校正像散，而且还可对整个偏转场的射束束斑的形变进行校正，以改善电子柱的性能。

本发明的静电多极透镜结构简单，且通过在聚焦透镜中使用多极透镜，减小了因由电子柱所扫描的电子束在样本周围所生成的各种类型的畸变而产生的电子束束斑偏转散焦。

图2示意性地示出了具有简单结构以及正交孔的多极透镜的一个示例。

在图2中，每一四极透镜400(即，用于电子光学设计的多极透镜)被配置为包括两个相对的电极层400a和400b，该电极层400a和400b正交于箭头所示的z轴。该电极层400a和400b中的一者或两者可包括一个非圆形孔或多个非圆形孔。此外，可将不同的电势施加至相对的电极层400a和400b。针对图2所示的结构，例如，在图2(a)中，第一电极层400a的纵向缝隙430与第二电极层400b的横向缝隙440相对准，而在图2(b)中，第二电极层的横向缝隙440与第一电极的纵向缝隙430相对准。在四极透镜400中，为方便起见，第一电极层400a与第二电极层400b相互之间的区别在于，第一电极层400a具有纵向缝隙430，而第二电极层400b具有横向缝隙440。虽然附图中，电极层400a和400b的外形被示为矩形，但他们可具有方形或圆形形状。四极透镜区域内所生成的电场会以与具有四个或八个电极的像散校正装置所生成的电场相同的方式来影响穿过缝隙430和440的电子束，但四极透镜不需要多个受控电极，因而不像被配置以使得单个电极层被划分为多个电极的一般像散校正装置那样。

作为四极透镜的另一示例，优选提供一种具有所谓的钥匙孔形孔的四极透镜，以使得该四极透镜可用于微柱。图3中所给出的具有钥匙孔形孔的透镜电极层的平面图仅作为一个示例示出。所述钥匙孔形孔包括圆形孔410和矩形狭缝或孔420。该矩形狭缝或孔420的特征在于其宽度小于所述圆形孔410的直径。

所述圆形孔410为用于传统电子透镜的孔，且所述钥匙孔形孔可通过对所述圆形孔和矩形孔420进行重叠而形成。由于所述矩形孔420的宽度小于所述圆形孔410的直径，从而可整体形成钥匙孔形。也就是说，矩形孔420对应于图2所示的狭缝430和440之一，且被添加至圆形孔。在此，施加圆形孔的目的在于精确地与现有的圆形孔进行对准。优选地，所述狭缝的宽度小于所述孔的直径，以允许有效实现四极透镜的效果。由于多极透镜的效果依赖于相对于狭缝长度的百分比而变化，优选地，基于设计数据(诸如，源透镜的性能或至样本的距离)来选择最佳宽度和长度。

此外，虽然图3中以示例性方式示出了圆形孔，且通常使用圆形透镜孔，但对于使用具有特定形状(诸如，成形射束的形状)的孔的情况，还可以以如上所述的重叠方式来使用狭缝。

此外，本发明的静电四极透镜(可向其施加预定电极电压)为如图2和图3所示的聚焦透镜，且可用作单透镜的一部分。此外，如果透镜电极层为方形(虽然在图2中，透镜电极层被示为矩形)，可以如图3的圆形透镜电极层那样制造前者的透镜电极层，并在之后基于狭缝对他们进行正交排列和使用。因此，这使得透镜电极层的制造易于实现。

可以如微柱透镜电极层的孔那样来以膜片形式制造本发明的四极透镜的狭缝或孔，在此情况下，优点在于可通过使用与制造一般透镜的电极层的方法相同的制造方法来制造四极透镜的狭缝或孔。虽然在图2和图3中，狭缝的形状均被示为纵向矩形，但其可具有纵向椭圆形状或多边形形状。要点在于，四极透镜的电极层通过使用施加至电极层的电压而在狭缝内侧以横向和纵向方向形成了不同的电场，从而如像散校正设备那样对穿过狭缝中心的电子束进行变形。

使用根据本发明的四极透镜的最优方法之一为将该四极透镜置于和用于聚焦透镜(例如，单透镜)内侧。此类单透镜的优点在于，四极透镜的结构非常简单，且易于组装。四极透镜的作用在于可对样本表面上因像散而发生的散焦进行校正，从而可改善包括单透镜的微柱的效率。因此，可通过施加四极电压而进一步改善电子束的聚焦。上述使用根据本发明的四极透镜的电子柱仅再需要一个附加的适用电压。

下面将通过与传统单透镜的聚焦电压的调节进行比较来描述根据本发明的四极透镜的操作。

一般而言，在聚焦透镜(例如，单透镜)中，可将同一电压施加至两个外部电极，并将不同电压施加至中心电极。一般地，将聚焦电压施加至单透镜的中心电极，并将其他两个电极接地。表1为示出了传统聚焦透镜的中心电极的电压调节的图表。

如表1所示，由横向x轴聚焦和纵向y轴聚焦所生成的最小射束束斑尺寸对应于不同的电压。对此的基本原因为电子透镜的像散。因此，表1所示的最佳聚焦电压通过考虑横向聚焦和纵向聚焦这两方面而确定。

表1

在表1中，x轴代表聚焦电压，而y轴代表电子束束斑尺寸。虽然优选为射束束斑尺寸(该尺寸取决于中心电极的聚焦电压的变化)位于以上曲线的最低点，但x轴上的最优选聚焦电压值‘a’与最优选聚焦电压值‘b’是不同的。在表1中，x轴上的聚焦电压值‘a’大于y轴上的聚焦电压值‘b’。因此，针对传统聚焦透镜的中心电极的聚焦电压，可施加具有表示为表1中的x轴值与y轴值之间的中间值‘c’的值的聚焦电压。

相反，当将不同的电压分别施加至两个相对电极时，本发明的四极透镜提供有校正像散的功能，且表2示出了适用电极的电压。

表2

当通过施加四极电压而减小因横向聚焦点电压与纵向聚焦电压之间的差异(该差异因像散所导致)所出现的电子束扩大现象，可实现高均匀分辨率。因此，相比于现有的尺寸，可减小电子束束斑的尺寸，且可增大实际有效区域。也就是说，如表2所示，可分别将电压Q2(表示本发明的四极透镜的x轴聚焦电压)和电压Q1(表示y轴聚焦电压)施加至四极透镜的电极。也就是说，不同于施加至传统单中心电极的电压值‘c’，将与x轴相关的电压Q2施加至四极透镜400的电极400b，且将与y轴相关的电压Q1施加至电极400a。

在图2和图3的实施方式中，已将四极透镜描述作为根据本发明的多极透镜的典型示例。图4示出了作为根据本发明的多极透镜的另一示例的使用三个电极层的多极透镜500。不同于图3的四极透镜，该多极透镜500通过进一步添加第三电极层400c而形成，且各个电极层以60度的角度间隔排列。也就是说，不同于图3的四极透镜的正交排列，电极层以60度的角度间隔排列，因为又添加了一个电极层。因此，如果进一步添加电极层(从而存在四个电极层)，它们可以以45度的角度间隔排列。

由于根据本发明的多极透镜的单个电极层具有等同于像散校正装置的两个电极的多个电极，因此四极透镜需要两个控制电压，而包括三个电极层的六极透镜需要三个控制电压。只要电极层的数目增一，则增加两个电极。由于施加至电子束的静电场的方向取决于电极层而变化，因此必须确定电极层的数据以及排列的间隔角度。

此外，虽然出于控制的目的，电极层的间隔角度优选为允许电极对称排列的角度，但在某些时候，对称并非必须的。也就是说，可将第三电极层添加至图3的四极透镜，并以不同角度进行使用，且该第三电极层可根据具体的目的而被配置和使用。在单个电极层中，除所示的直线形状之外，可基于中心孔，形成具有弯角的狭缝。然而，当考虑控制电极的数量、或透镜层的厚度或设计时，包括两个电极层的四极透镜最便于使用。

除了使用四极透镜(即，本发明的多极透镜的典型示例，而非图1所示的传统电子柱的聚焦透镜40的中心电极)之外，现将描述电子柱的新的示例，该电子柱使用四极透镜来最大化实际有效偏转区域。

图5为示出了使用根据本发明的四极透镜的微柱的结构的截面图。该微柱包括电子发射源110、源透镜120、对准器150、单透镜440以及偏转器160。与图1的微柱相比，用作聚焦透镜的单透镜440包括并使用四个电极层，该四个电极层包括四极透镜400。也就是说，上述单透镜40的中心电极层被替换为本发明的四极透镜400。根据本发明的微柱的不同之处在于，在单透镜440的入口处设置有对准器150，且在其出口处设置有偏转器160。

在如图1所示的传统电子柱中，当偏转器对电子束进行偏转时，偏转之后的电子束无法沿着布置于偏转器下方的聚焦透镜中的电子光轴通过。因此，电子束束斑的扩大现象会增大，并延伸至偏转区域外侧。从而，如图5所示，为消除单透镜中的像差，将偏转器布置于单透镜下方，以增大实际有效偏转区域。

根据本发明的多极透镜以及使用该多极透镜的电子柱可创建小的均匀电子束束斑，以用于低能量扫描微柱。可以以多种形式来使用根据本发明的微柱系统，且可通过普通电子透镜的制造工艺相同的制造工艺来制造本发明的多极透镜。例如，可采用未改变状态的薄片型电子透镜(其内形成有多个孔的透镜层堆叠在大的硅基板上)，因此，本发明尤其有利于薄片型及多型微柱的制造。

工业实用性

使用根据本发明的多极透镜的电子柱可用于电子显微镜、半导体光刻、或使用电子束的检验设备，诸如用于检验半导体设备的通路孔/接触孔的设备、用于检验和分析样本表面的设备、或用于检验TFT-LCD设备的薄膜晶体管(TFT)的设备。

Claims (9)

1.一种多极电子透镜，该多极电子透镜包括：

两个或更多个电极层，

其中，每一所述电极层具有跨过中心光轴延伸的狭缝，电子束沿所述中心光轴通过，并且所述电极层沿着电子光轴排列，以使得所述狭缝位于不同方向。

2.根据权利要求1所述的多极电子透镜，其中，所述多极电子透镜为四极电子透镜，在该四极电子透镜中，所述电极层由两个电极层构成，且其中不同的电压被分别施加至所述电极层。

3.根据权利要求1或2所述的多极电子透镜，其中每一所述电极层具有位于所述电子束沿其通过的中心光轴周围的附加孔，且形成于该孔周围的狭缝被形成为比所述孔更窄且更长。

4.根据权利要求3所述的多极电子透镜，其中所述附加孔基本上具有圆形形状，且包括所述狭缝的形状和所述附加孔的形状的形状为钥匙孔形状。

5.根据权利要求3所述的多极电子透镜，其中所述附加孔基本上具有圆形形状，且包括所述狭缝的形状和所述附加孔的形状的形状为多边形孔形状。

6.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的多极电子透镜，其中，该多极电子透镜替换属于聚焦透镜的中心电极层或属于具有三个或更多个电极层的源透镜的中心电极层，或者替换向其施加单独的电压且未接地的电极层。

7.一种电子柱，该电子柱包括电子发射源、一个或多个电子透镜以及偏转器，其中所述一个或多个电子透镜包括根据权利要求1-6中任一项权利要求所述的多极电子透镜。

8.根据权利要求7所述的电子柱，其中聚焦透镜包括多极透镜、设置于所述聚焦透镜前方的对准器、以及布置于电子束沿其通过的电子光轴上的最下游位置处的偏转器，所述多极透镜为根据权利要求4所述的电子透镜。

9.根据权利要求7所述的电子柱，其中该电子柱为使用薄片型电子透镜的多型微柱，且所述多极透镜由多型电极层构成，在该多型电极层中，狭缝或多个狭缝及附加孔形成于大的薄片中。

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