CN102568989B - 具有多个可选择粒子发射器的带电粒子源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有多个可选择粒子发射器的带电粒子源。公开了用于聚集粒子束系统的带电粒子源，所述聚集粒子束系统诸如透射电子显微镜（TEM）、扫描透射电子显微镜（STEM）、扫描电子显微镜（SEM）或聚焦离子束（FIB）系统。该源采用可以以带电粒子系统的轴为中心的小区域内的多个可独立寻址发射器。可以单独控制所有发射器以同时实现从一个或多个尖端的发射。仅激活一个发射器的模式与高亮度相对应，而同时激活多个发射器的模式提供了具有较低亮度的高角强度。可以通过顺序地使用单个发射器来延长源寿命。描述了所有发射器的组合的机械和电气对准规程。

Description

具有多个可选择粒子发射器的带电粒子源

技术领域

本发明一般地涉及聚焦带电粒子束系统并且具体地涉及用于生成聚焦带电粒子束的带电粒子源。

背景技术

在包括电子显微镜和聚焦离子束系统的带电粒子系统中，典型地使用镜筒将带电粒子束聚焦到要使用该波束进行成像和（可选地）处理的目标的表面上。在这些镜筒中，带电粒子源生成初始的电子或离子束，然后将初始的电子或离子束传递到带电粒子“枪”中，该带电粒子“枪”典型地将带电粒子聚焦成大致平行的波束，该大致平行的波束进入镜筒的主体，在该主体处可以消隐（blank）（即开启和关闭）该波束、使该波束偏转（在目标表面上来回移动）并将该波束聚焦到目标表面上。带电粒子所源自的源内的部件被称作“发射器”，典型地包括非常尖的金属点。一般地，在现有技术中，带电源包括单个带电粒子发射器（诸如，针对电子的冷场发射器或肖特基发射器、或者针对离子（通常带正电）的气态场离子化或液态金属离子源。在液态金属离子源（LMIS）的情况下，该金属点是液体，但是在其他源类型中，该金属是固体，通常称为“尖端”。碳纳米管也可以用作电子发射器。然而在所有情况下，这些发射器由受诸如以下的各种因素限制的有限寿命表征：尖端的离子轰击腐蚀或者表面污染，从而使该尖端随时间变得更钝直到发射在可接受的提取电压下不再可持续为止。

对于带电粒子镜筒的优化操作，有必要使该源与镜筒的对称（或光）轴精确对准，典型地达到在5至20 μm内。因此，带电粒子源一般由多轴运动组件支撑，从而在系统操作期间允许源运动。观察到由镜筒在目标上形成的图像，然后移动该源，直到针对所需的特定应用，图像具有充足的对比度和分辨率为止。在一些情况下，除了成像以外，带电粒子束可以用于处理该目标，诸如电子束诱导蚀刻（EBIE）、电子束诱导沉积（EBID）、离子铣削、离子束诱导蚀刻（IBIE）、离子束诱导沉积（IBID）、次级离子质谱（SIMS）等。

发明内容

本发明的目的是将聚焦带电粒子系统内的多发射器带电粒子源配置为能够操作于多个发射模式。

一些发射模式实现了比先前通过顺序地使用相继使用的多个单个发射器而可达到的寿命长得多的源寿命。总体源寿命则是个体发射器寿命之和。其他发射模式使用所述多个发射器来实现用于对目标进行快速处理的高波束电流。

以上相当宽泛地概括了本发明的特征和技术优势，以便可以更好地理解本发明的以下详细描述。在下文中将描述本发明的附加特征和优势。本领域技术人员应当认识到，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作用于修改或设计用于实现本发明的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员也应当认识到，这种等效的构造并不脱离所附权利要求中限定的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更全面地理解本发明及其优势，现在参照结合附图而进行的以下描述，在附图中：

图1示出了具有多个带电粒子发射器和发射器控制电路的带电粒子源的示意图。

图2是能够实现本发明的多发射器带电粒子源的示例性带电粒子镜筒的横截面侧视图。

图3是横切图2的镜筒的、图1的源中的轴上发射器的带电粒子轨迹的侧视图。

图4是横切图2的镜筒的、图1的源中的离轴发射器的带电粒子轨迹的侧视图。

图5（A）-（D）是在背侧寻址的情况下包括6个冷场发射器的本发明第一实施例的各个视图。

图6（A）-（D）是在背侧寻址的情况下包括12个冷场发射器的本发明第二实施例的各个视图。

图7（A）-（D）是在正侧寻址的情况下包括6个冷场发射器的本发明第三实施例的各个视图。

图8（A）-（D）是在正侧寻址的情况下包括12个冷场发射器的本发明第四实施例的各个视图。

图9（A）-（D）是在正侧寻址和侧向气体馈送口的情况下包括12个气态场离子化离子发射器的本发明第五实施例的各个视图。

图10（A）-（D）是在正侧寻址和轴向气体馈送口的情况下包括12个气态场离子化离子发射器的本发明第六实施例的各个视图。

图11是在正侧寻址和轴向液态金属馈送口的情况下包括多个液态金属离子源的本发明第七实施例的横截面侧视图。

图12是在背侧寻址的情况下本发明的带电粒子源的控制电路的简化电气示意图。

图13是在正侧寻址的情况下本发明的带电粒子源的控制电路的简化电气示意图。

图14A是从图1的发射器阵列内的单个带电粒子发射器发射的带电粒子的侧示意图。

图14B是图14A中的带电粒子源的特写示意图。

图15A是从图1的发射器阵列内的多个带电粒子发射器发射的带电粒子的侧示意图。

图15B是图15A中的带电粒子源的特写示意图。

图16是可适用于本发明的多发射器源的对准过程的流程图。

具体实施方式

本发明适用于采用聚焦带电粒子（电子或离子）束对目标进行成像和（可选地）处理的带电粒子系统。典型地，这些系统采用带电粒子源来形成初始波束，然后通过镜筒内的静电和（可选地）磁元件（诸如透镜、消隐器和偏转器）来对该初始波束进行加速、聚焦、消隐和偏转。该源的合适操作对于带电粒子系统的可接受运行来说是关键的。典型地，源操作可以由以下参数（等等）来表征：

1） 总发射电流

2） 发射模式，即粒子如何从该源出现？

3） 发射能量分布

4） 虚拟源大小，即发射面积显现为多大？

5） 源寿命，即在退化之前其发射多少小时？

与现有技术的单发射器源可能的情况相比，本发明的带电粒子源的实施例实现了对上述参数中的若干参数的更大控制。实施例可以使用任何类型的发射器，诸如冷场发射器（CFE），包括Spindt尖端发射器，碳纳米管发射器，肖特基源，气态场离子化源（GFIS）和液态金属离子源（LMIS）。

本发明的实施例可以操作于若干模式。在高亮度操作模式中，从多个发射器当中激活的单个发射器中生成带电粒子束——该模式由高亮度和中等发射电流表征，其中非常小的虚拟源大小使得能够在目标表面上形成小的聚焦斑点。在高角强度（high angular intensity）操作模式中，同时激活所述多个发射器当中的多个发射器以产生更高的总波束电流（因此产生更高角强度），但是以更大的虚拟源大小和更低的亮度为代价——该模式使得能够在目标表面上形成高电流更大斑点。本发明的多个可独立寻址发射器源由用于在阵列的背侧或正侧寻址个体发射器的备选装置表征。所谓可独立寻址是指可以独立地使发射器发射或不发射带电粒子。尽管实施例将每个发射器示为可独立寻址，但是在一些实施例中，发射器组可以是可寻址的。例如。中心发射器可以是可独立寻址的，而离轴发射器环是作为独立于中心发射器的组而可寻址的，尽管该环中不是每个发射器都可以是可分离寻址的。描述了本发明的七个示例性实施例，包括针对电子的冷场发射器以及针对离子的气态场离子化（GFI）源和液态金属离子（LMI）源两者。

在同时激活多个发射器的操作模式中，与现有技术中相比，更大的总发射电流是可能的。一次一个地顺序使用多个发射器实现了与现有技术相比在源寿命上的实质增加。其他参数中的若干参数将与现有技术相同，诸如发射模式（尖端几何形状的函数）、发射能量分布（多个尖端和发射电流相关因素的函数）和源大小（在单发射器操作的情况下）。

在若干优选实施例中，源内的多个发射器处于镜筒轴的足够小的半径内以使得所有发射器可以被认为是对准的并且可以使用小的对准偏转。针对两个不同发射器寻址方案（背侧和正侧）提出了代表性电气控制电路以及对操作于不同发射模式（单发射器和多发射器）的本发明的角强度和亮度的分析。最后，针对源内的所有发射器描述了对准规程，从而针对轴上尖端和离轴尖端两者实现所有操作模式中的优化性能。

以下章节首先描述了与总体源大小和发射器在源内的示例性紧凑分布相关的多发射器源概念。接着，描述了能够实现本发明的源的镜筒以及用于示意与在目标上形成聚焦斑点的主透镜的机械和静电波束对准的代表性轴上和离轴轨迹。接着，描述了本发明的七个实施例，包括电子源和离子源两者并且示意了用于对源内的个体发射器进行独立寻址的两种方法。提出了源的简化电气控制电路，论证了用于激活单个发射器和多个发射器两者的方法。讨论了各个操作模式中的源角强度和亮度的原点（origin），示意了高亮度操作和高角强度操作两者。最后，提出了用于中心（轴上）发射器和多个离轴发射器两者的对准规程。

具有多个可独立寻址带电粒子发射器的带电粒子源

图1示出了具有多个带电粒子发射器101-112和发射器控制电路140的带电粒子源100的示意图。第一发射器101位于发射器阵列的中心处。围绕发射器101的是5个发射器102-106的第一环。6个发射器107-112的第二环围绕第一发射器环。因此，总共12个发射器101-112位于以发射器101为中心的半径136的圆134内。控制线路121-132每一个连接至相应的发射器101-112，例如控制线路121确定发射器101是否活动（即，发射带电粒子）等等。进而通过与带电粒子系统控制器（未示出）相连接的控制线缆142来控制发射器控制电路140。以下在第一至第七实施例（图5-11）的描述中提供了发射器101-112的架构的细节。以下在图12-13中提供了各个实施例的控制电路的细节。

对带电粒子镜筒（诸如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、扫描透射电子显微镜（STEM）、聚焦离子束（FIB）镜筒等）中的任何带电粒子源的合适操作的考虑是：带电粒子源与镜筒的光轴的对准。典型地，传统（即，单发射器）带电粒子源的发射器在至多5至20 μm内与镜筒轴机械对准。可以容忍的确切未对准量由镜筒设计的细节和操作模式（具体地为源至目标的缩小）确定。过度未对准将诱导离轴几何像差和色差，这将对目标处可得到的波束斑点大小、形状和电流密度造成有害影响。因此，带电粒子源一般安装在机械运动组件中，从而使得该源能够在带电粒子系统的操作期间与镜筒轴物理对准。一种频繁采用以辅助该实时对准过程的规程是使包含带电粒子源的枪中的透镜中的电压或电流“摇摆”。该摇摆造成透镜强度的非常低频率（典型地为0.1-0.3 Hz）的小变化，这导致在带电粒子源与枪中的透镜的轴未对准的情况下目标的图像的振荡运动。然后，使用X-Y运动（以及在一些情况下，Z和倾斜运动，其中Z是镜筒轴），移动该源以减小或（优选地）消除该图像“摇摆”，从而指示该源已与镜筒机械对准。

在该源中包含发射器阵列的带电粒子源对该对准规程提出了难题，这是由于一次仅可以在镜筒的轴上物理定位这些发射器中的一个发射器。以下将更详细描述的图16概括了可适用于本发明的多发射器源的对准过程。还可以使用其他对准过程。图16的过程首先使用本领域技术人员所熟知的波束“摇摆”过程将中心发射器与镜筒轴机械对准。中心发射器被认为由于缺少图像摇摆而与轴对准。在完成该操作之后，进而激活其他（离轴）发射器中的每一个，并确定为了消除图像摇摆而需要的对准偏转器（其可以是用于对目标进行成像的波束偏转器）的所需X-Y设置。注意，在所描述的实施例中：1）中心发射器可以与镜筒机械对准（使其处于轴上）；2）所有离轴发射器电气对准；以及3）每个离轴发射器具有分离且唯一的X-Y对准偏转，这是由于每个发射器具有与镜筒轴的不同机械偏移。

带电粒子镜筒的实施例

图2是能够实现本发明的带电粒子源202的示例性带电粒子镜筒200的横截面侧视图。在源202与提取电极204之间施加“提取”电压。如果源202发射电子，则该偏置电压可以典型地为+3000至+5000V。如果源202发射正离子，则该偏置电压可以典型地为-7000至-15000V。在所有情况下，源202中的发射器典型地包括非常尖的结构诸如针状体或锥体（共同称为“尖端”），其趋于将发射器202与提取器204之间的几乎所有电压降集中于发射器尖端附近（几十μm）。带电粒子的初始发射一般到具有大约30°半角（即，立体角为π(π 30°/180°)²≈0.86立体弧度）的锥体中。带电粒子“枪”包括源202、提取器204、枪聚集电极206和枪出口电极208。在枪中也示出了限束孔径（BDA）210，安装在枪出口电极208内。对枪聚焦电极206施加聚焦电压，并且对枪出口电极208偏置至地电势（0V）——因此在该示例中，由于目标也被偏置至地电势，因此离开该枪的带电粒子已经处于其最终波束能量。提取器204、聚焦电极206和出口电极208上的不同电压在镜筒轴上和附近诱导枪内的电场——这些电场偏转并聚焦带电粒子，如图3和4的轨迹图所示。在一些情况下，存在最小聚焦效应，尤其对于以下情况：在目标处期望更小波束，因此需要更高的源缩小。在其他情况下，枪将形成大体平行的波束，该大体平行的波束然后通过主透镜以较低的缩小被聚焦到目标上，从而产生具有更高电流的更大波束。处于枪之下的是波束消隐器，包括电极212和214。当波束开启时，电极212和214两者典型地处于0V，因此波束230未偏转地经过消隐器和BBA 216。为了关闭波束，对电极212施加正电压并对电极214施加负电压，从而使波束230离轴偏转以碰撞BBA 216。典型的消隐电压可以为5至10 V。

处于BBA 216之下的是上偏转器218和下偏转器220。典型地，这两个偏转器均为四极或八极（静电的和/或磁的）。在所有情况下，偏转需要偶极场——诸如八极之类的较高阶电极配置用于通过产生更均匀的场来减小偏转像差，如本领域技术人员所熟知的。偏转器218和220包括“双偏转器”，其可以控制进入主透镜的波束位置和斜度，如图3和4所示。电极222、224和226包括主透镜，该主透镜将波束230聚焦到目标228的表面上的位置232处。在这里所示的示例中，电极222和226上的电压相同，处于相对于地的0 V。为了聚焦，电极224上的电压则将不同于0 V以便在电极222、224和226之间生成必要的聚焦电场。在来自源202的电子发射的情况下，如果电极224上的电压 < 0 V，则主透镜是“减速透镜”；如果电极224上的电压 > 0 V，则主透镜是“加速透镜”。对于来自源202的正离子发射的情况，将反转这些电压。这两种类型的主透镜配置都适于与本发明的多发射器源202一起使用。

轴上和离轴带电粒子发射器的示例性轨迹

图3是横切图2的镜筒200的轴上发射器（诸如图1的源100中的发射器101）的带电粒子轨迹的侧视图300。镜筒200具有光轴312、限束孔径（BDA）210和消隐孔径（BBA）216。包括图2中的电极204、206和208的枪透镜由会聚透镜304示意性地表示。类似地，包括图2中的电极222、224和226的主透镜由会聚透镜306示意。在该示例中，发射器302处于轴上（与图1中的发射器101相对应），并且发射器302已与镜筒200机械对准（参见图16中的对准规程）。因此，波束314也处于轴上并且不需要上偏转器218或下偏转器220上的任何对准电压以将轴上和与轴平行的波束314瞄准到主透镜306中。通过主透镜306将波束314聚焦到目标308的表面上的轴上位置310处。镜筒对准的目标是确保在轴312上以及还有与轴312平行传播的波束314都进入主透镜306，如这里所示——包括波束314的各个轨迹由射线跟踪程序SIMION 7.0生成，并且与图2所示的镜筒设计相对应。

图4是横切与图3中相同的镜筒的离轴发射器402（例如，图1的源100中的发射器102-112中的任一个）的带电粒子轨迹的侧视图400。图3和图4之间的两个关键区别在于：1）发射器402是离轴的；以及2）现在激活上偏转器218和下偏转器220以生成偶极偏转电场，其中对波束414的合成力向量分别如箭头416和418所示。离轴的发射器402的效果可以见于图4左侧的枪内——波束414初始朝向轴312向下偏转、从轴312之下的枪出现并呈向下角度，如图所示。假定已经执行图16中的对准规程，从而在上偏转器218和下偏转器220上生成所需的X-Y对准偏转电压。由偏转器218和220内的偶极场诱导的波束偏转的组合结果是：将轴312上和与轴312平行的波束414都瞄准到主透镜306中。由此，将波束聚焦到目标308上的轴上位置410处（即，位置410与图3中的位置310等效）。

第一实施例——在背侧寻址的情况下具有6个冷场发射器的阵列的电子源

图5（A）-（D）是在背侧寻址的情况下包括6个冷场发射器的本发明第一实施例的各个视图。“背侧寻址”是指用于对每个发射器501-506施加提取电压（参见以上图1的讨论）的方法——在该寻址方法中，所有发射器501-506共享公共提取电极508，但每个发射器尖端分别具有唯一的背侧电连接521-526。视图（A）示出了电子源的俯视图（即，从镜筒看向该源中的视图——将从该图的平面向外发射电子）500，其中发射器501处于中心，被5个离轴发射器502-506围绕。视图（B）是“X射线”俯视图520，从与视图（A）中相同的方向穿过源的所有层看去。现在可以看到6个背侧寻址连接521-526。视图（C）540和（D）560分别表示如视图（B）所示的横截面A-A和B-B。可以在衬底546上制造该源，该衬底546可以是涂覆有绝缘层（诸如二氧化硅）的半导体晶片或绝缘材料（诸如陶瓷）。

在横截面侧视图A-A中可以看到中心发射器501和离轴发射器504。典型地，所有6个发射器501-506由钼或钨制造，并可以支撑在大致圆柱形的柱542上，该柱542典型地可以是镍。如视图（C）和（D）所示的，通过背侧连接521-526对每个发射器501-506施加电压。绝缘层544支撑正侧栅层508，该正侧栅层508是导电的且在如视图（A）所见的源正面上连续。对于其中仅激活一些发射器（导致相邻背侧连接（诸如视图（C）中的521和524）之间的电压差）的情况，该绝缘层544也用于将背侧连接521-526中的每一个彼此电气隔离。以下将在图12中讨论本发明第一实施例的操作。

第二实施例——在背侧寻址的情况下具有12个冷场发射器的阵列的电子源

图6（A）-（D）是在背侧寻址的情况下包括12个冷场发射器的本发明第二实施例的各个视图。“背侧寻址”是指用于对每个发射器601-612施加提取电压（参见以上图1的讨论）的方法——在该寻址方法中，所有发射器601-612共享公共提取电极614，但每个发射器尖端分别具有唯一的背侧电连接621-632。视图（A）示出了电子源的俯视图（即，从镜筒看向该源中的视图——将从该图的平面向外发射电子）600，其中发射器601处于中心，被11个离轴发射器602-612围绕。视图（B）是“X射线”俯视图620，从与视图（A）中相同的方向穿过源的所有层看去。现在可以看到12个背侧寻址连接621-632。视图（C）640和（D）660分别表示如视图（B）所示的横截面C-C和D-D。可以在衬底646上制造该源，该衬底646可以是涂覆有绝缘层（诸如二氧化硅）的半导体晶片或绝缘材料（诸如陶瓷）。

在横截面侧视图C-C中可以看到中心发射器601和离轴发射器604。典型地，所有12个发射器601-612由钼或钨制造，并可以支撑在大致圆柱形的柱642上，该柱642典型地可以是镍。如视图（C）和（D）所示的，通过背侧连接621-632对每个发射器601-612施加电压。绝缘层644支撑正侧栅层614，该正侧栅层614是导电的且在如视图（A）所见的源正面上连续。对于其中仅激活一些发射器（导致相邻背侧连接（诸如视图（C）中的621和624）之间的电压差）的情况，该绝缘层644也用于将背侧连接621-632中的每一个彼此电气隔离。以下将在图12中讨论本发明第二实施例的操作。

第三实施例——在正侧寻址的情况下具有6个冷场发射器的阵列的电子源

图7（A）-（D）是在正侧寻址的情况下包括6个冷场发射器的本发明第三实施例的各个视图。“正侧寻址”是指用于对每个发射器701-706施加提取电压（参见以上图1的讨论）的方法——在该寻址方法中，所有发射器701-706共享公共导电基底746，但每个发射器尖端701-706分别具有唯一的提取电极721-726。视图（A）示出了电子源的俯视图（即，从镜筒看向该源中的视图——将从该图的平面向外发射电子）700，其中发射器701处于中心，被5个离轴发射器702-706围绕。视图（B）是“X射线”俯视图720，从与视图（A）中相同的方向穿过源的所有层看去。现在可以看到6个正侧寻址连接721-726。视图（C）740和（D）760分别表示如视图（B）所示的横截面E-E和F-F。可以在导电衬底746上制造该源，该导电衬底746可以是涂覆有导电层（诸如钼或铬）的绝缘材料（诸如陶瓷或无掺杂半导体晶片）或导电材料（诸如重掺杂半导体晶片）。

在横截面侧视图E-E中可以看到中心发射器701和离轴发射器704。典型地，所有6个发射器701-706由钼或钨制造，并可以支撑在大致圆柱形的柱742上，该柱742典型地可以是镍。如视图（C）和（D）所示的，通过公共衬底746对所有发射器701-706施加相同电压。绝缘层744支撑包括提取器电极721-726的正侧图案化栅层。绝缘层748覆盖并填充在提取器721-726之间，从而在相邻提取器之间以及在提取器与屏蔽层708之间提供电气绝缘，该屏蔽层708是导电的且在如视图（A）所见的源正面上连续。屏蔽层708用于在源正面上提供公共电压以便于在源操作期间在相邻发射器之间的电子光学隔离。以下将在图13中讨论本发明第三实施例的操作。

第四实施例——在正侧寻址的情况下具有12个冷场发射器的阵列的电子源

图8（A）-（D）是在正侧寻址的情况下包括12个冷场发射器的本发明第四实施例的各个视图。“正侧寻址”是指用于对每个发射器801-812施加提取电压（参见以上图1的讨论）的方法——在该寻址方法中，所有发射器801-812共享公共导电基底846，但每个发射器尖端801-812分别具有唯一的提取电极821-832。视图（A）示出了电子源的俯视图（即，从镜筒看向该源中的视图——将从该图的平面向外发射电子）800，其中发射器801处于中心，被11个离轴发射器802-812围绕。视图（B）是“X射线”俯视图820，从与视图（A）中相同的方向穿过源的所有层看去。现在可以看到12个正侧寻址连接821-832。视图（C）840和（D）860分别表示如视图（B）所示的横截面G-G和H-H。可以在导电衬底846上制造该源，该导电衬底846可以是涂覆有导电层（诸如钼或铬）的绝缘材料（诸如陶瓷或无掺杂半导体晶片）或导电材料（诸如重掺杂半导体晶片）。

在横截面侧视图G-G中可以看到中心发射器801和离轴发射器804。典型地，所有12个发射器801-812由钼或钨制造，并可以支撑在大致圆柱形的柱842上，该柱842典型地可以是镍。如视图（C）和（D）所示的，通过公共衬底846对所有发射器801-812施加相同电压。绝缘层844支撑包括提取器电极821-832的正侧图案化栅层。绝缘层848覆盖并填充在提取器821-832之间，从而在相邻提取器之间以及在提取器与屏蔽层814之间提供电气绝缘，该屏蔽层814是导电的且在如视图（A）所见的源正面上连续。屏蔽层814用于在源正面上提供公共电压以便于在源操作期间在相邻发射器之间的电子光学隔离。以下将在图13中讨论本发明第四实施例的操作。

第五实施例——在正侧寻址和侧向气体馈送口的情况下具有12个气态场离子化发射器的阵列的离子源

图9（A）-（D）是在正侧寻址和侧向气体馈送口的情况下包括12个气态场离子化（GFI）离子发射器的本发明第五实施例的各个视图。“正侧寻址”是指用于对每个发射器901-912施加提取电压（参见以上图1的讨论）的方法——在该寻址方法中，所有发射器901-912共享公共导电基底946，但每个发射器尖端分别具有唯一的提取电极921-932。视图（A）示出了离子源的俯视图（即，从镜筒看向该源中的视图——将从该图的平面向外发射正离子）900，其中发射器901处于中心，被11个离轴发射器902-912围绕。视图（B）是“X射线”俯视图920，从与视图（A）中相同的方向穿过源的所有层看去。现在可以看到12个正侧寻址连接921-932。视图（C）940和（D）960分别表示如视图（B）所示的横截面I-I和J-J。可以在导电衬底946上制造该源，该导电衬底946可以是涂覆有导电层（诸如钼或铬）的绝缘材料（诸如陶瓷或无掺杂半导体晶片）或导电材料（诸如重掺杂半导体晶片）。衬底946也包含馈送气体腔（plenum）950，该馈送气体腔950通过如横截面侧视图J-J和x射线视图（B）所示的个体馈送孔916向每个发射器尖端901-912供给用于离子化的气体。将气体从馈送系统（未示出）供给至腔950，该馈送系统调节压力以防止过多气流穿过孔916，这可能在发射器尖端901-912与提取器921-932之间分别诱导真空击穿和电弧放电。

在横截面侧视图I-I中可以看到中心发射器901和离轴发射器904。典型地，所有12个发射器901-912由钼或钨制造，并可以支撑在大致圆柱形的柱942上，该柱942典型地可以是镍。如视图（C）和（D）所示的，通过公共衬底946对所有发射器901-912施加相同电压。绝缘层944支撑包括提取器电极921-932的正侧图案化栅层。绝缘层948覆盖并填充在提取器921-932之间，从而在相邻提取器之间以及在提取器与屏蔽层914之间提供电气绝缘，该屏蔽层914是导电的且在如视图（A）所见的源正面上连续。屏蔽层914用于在源正面上提供公共电压以便于在源操作期间在相邻发射器之间的电子光学隔离。以下将在图13中讨论本发明第五实施例的操作。

第六实施例——在正侧寻址和轴向气体馈送口的情况下具有12个气态场离子化发射器的阵列的离子源

图10（A）-（D）是在正侧寻址和轴向气体馈送口的情况下包括12个气态场离子化（GFI）发射器的本发明第六实施例的各个视图。“正侧寻址”是指用于对每个发射器1001-1012施加提取电压（参见以上图1的讨论）的方法——在该寻址方法中，所有发射器1001-1012共享公共导电基底1046，但每个发射器尖端分别具有唯一的提取电极1021-1032。视图（A）示出了离子源的俯视图（即，从镜筒看向该源中的视图——将从该图的平面向外发射正离子）1000，其中发射器1001处于中心，被11个离轴发射器1002-1012围绕。视图（B）是“X射线”俯视图1020，从与视图（A）中相同的方向穿过源的所有层看去。现在可以看到12个正侧寻址连接1021-1032。视图（C）1040和（D）1060分别表示如视图（B）所示的横截面K-K和L-L。可以在导电衬底1046上制造该源，该导电衬底1046可以是涂覆有导电层（诸如钼或铬）的绝缘材料（诸如陶瓷或无掺杂半导体晶片）或导电材料（诸如重掺杂半导体晶片）。衬底1046也包含馈送气体腔1050，该馈送气体腔1050通过如横截面侧视图L-L所示的中心口1016向每个发射器尖端1001-1012供给用于离子化的气体。将气体从馈送系统（未示出）供给至腔1050，该馈送系统调节压力以防止过多气流穿过中心口1016，这可能在发射器尖端1001-1012与提取器1021-1032之间分别诱导真空击穿和电弧放电。

在横截面侧视图K-K中可以看到中心发射器1001和离轴发射器1004。典型地，所有12个发射器1001-1012由钼或钨制造，并可以支撑在大致圆柱形的空心柱1042上，该空心柱1042典型地可以是镍。如视图（C）和（D）所示的，通过公共衬底1046对所有发射器1001-1012施加相同电压。绝缘层1044支撑包括提取器电极1021-1032的正侧图案化栅层。绝缘层1048覆盖并填充在提取器1021-1032之间，从而在相邻提取器之间以及在提取器与屏蔽层1014之间提供电气绝缘，该屏蔽层1014是导电的且在如视图（A）所见的源正面上连续。屏蔽层1014用于在源正面上提供公共电压以便于在源操作期间在相邻发射器之间的电子光学隔离。以下将在图13中讨论本发明第六实施例的操作。

第七实施例——在正侧寻址和轴向液态金属馈送口的情况下具有12个液态金属离子发射器的阵列的离子源

图11是在正侧寻址和轴向液态金属馈送口的情况下包括多个液态金属离子源的本发明第七实施例1100的横截面侧视图。该第七实施例的总体源结构与图10中的第六实施例相同，除了现在使用腔1050和馈送口来向每个发射器尖端传输用于离子化的液态金属。典型的液态金属可以是纯金属（诸如镓或铟）或者合金（诸如硅-金、铍-硅-金、铍-金等）。对于一些金属（诸如镓），需要少许加热或不需要加热以熔化金属并使得其能够从腔1150流经口1116、1151和1154以形成泰勒（Taylor）锥体（诸如1161和1164）。其他金属将需要一定量的加热以达到其熔点——典型的最大熔点可以至多为几百摄氏度。横截面侧视图K’-K’与图10中的横截面侧视图K-K相对应，其中在口1116、1151和1154中添加了腔1150中的液态金属并且形成泰勒锥体1161和1164。泰勒锥体1161和1164分别在提取器1121和1124上以空心柱1101和1104为中心。典型地，所有12个支撑柱（仅1101和1104在图11中示出）可以由钼或钨制造。通过公共衬底1146对每个支撑柱施加相同电压。绝缘层1144支撑包括提取器电极（诸如1121和1124）的正侧图案化栅层。绝缘层1148覆盖并填充在提取器之间，从而在相邻提取器之间以及在提取器与屏蔽层1114之间提供电气绝缘，该屏蔽层1114是导电的且在如视图（A）所见的源正面上连续。屏蔽层1114用于在源正面上提供公共电压以便于在源操作期间在相邻发射器之间的电子光学隔离。以下将在图13中讨论本发明第七实施例的操作。

各个实施例的电气控制电路

图12是在背侧寻址的情况下本发明的带电粒子源的控制电路的简化电气示意图——该电路可适用于图5-6所示的第一和第二实施例。分别通过3个背侧连接1211-1213来向发射器1201-1203传送电压，这3个背侧连接1211-1213进而通过线1221-1223连接至偏置电源1231-1233。偏置电源1231-1233供给尖端1201-1203相对于公共栅（提取）电极1204的提取电压。公共栅电压电源1234通过线1224连接至公共栅1204。波束加速电压电源1246连接在地1248与电源1231-1234的公共参考电压连接1240之间。为了示意该电路的操作，假定我们想要从发射器1201进行发射，但是我们不想从发射器1202和1203进行发射。第一，将电源1231-1234和1246设置为0 V输出，作为初始化步骤。假定为诱导带电粒子发射所需的在任何发射器1201-1203与公共提取器1204之间的电压差为V_提取。第二，将波束加速电压电源1246设置为将与要从尖端1201发射的带电粒子（电子或离子）的期望能量相对应的电压供给至公共连接1240。第三，将所有4个电源1231-1234设置为供给等于V_提取的输出电压。此时，3个发射器1201-1203中的任一个与公共栅（提取器）1204之间将不存在电压差——因此，发射器保持不激活并且不在发射带电粒子。接着，为了激活发射器1201，将从电源1231输出的电压减小至0 V——现在，在发射器1201与公共栅1204之间将存在等于V_提取的电压差，从而诱导从尖端1201的发射，而对于尖端1202-1203，仍将不存在发射，这是由于在尖端1202-1203与公共栅1204之间将不存在电压差。将遵循类似的规程来激活尖端1202或1203。为了同时激活尖端1201-1203的阵列当中的两个或更多尖端（参见图15），1231-1233当中的对应电源将被设置为0 V输出。这里所示的示例示意了对仅3个发射器1201-1203的控制，但是显然，尖端偏置电压电源的数目将被设置为等于要控制的源中的发射器的数目，诸如例如对于图5和7为6而对于图6和8-11为12。

图13是在正侧寻址的情况下本发明的带电粒子源的控制电路的简化电气示意图——这可适用于图7-11所示的第三至第七实施例。所有发射器1302-1303通过衬底1360和连接1340而公共连接至波束加速电压电源1346。分别通过3个正侧连接1321-1323来向提取器1311-1313传送电压，这3个正侧连接1321-1323进而通过线1321-1323连接至栅电源1331-1333。栅电源1331-1333供给尖端1201-1203相对于公共基电压的提取电压。公共屏蔽电压电源1334通过线1324连接至公共屏蔽电极1314。波束加速电压电源1346连接在地1348与电源1331-1334的公共参考电压连接1340之间。为了示意该电路的操作，假定我们想要从发射器1301进行发射，但是我们不想从发射器1302和1303进行发射。第一，将电源1331-1334和1346设置为0 V输出，作为初始化步骤。假定为诱导带电粒子发射所需的在任何发射器1301-1303与其相应提取器1311-1313之间的电压差为V_提取。第二，将波束加速电压电源1346设置为将与要从尖端1301发射的带电粒子（电子或离子）的期望能量相对应的电压供给至公共连接1340。第三，将公共屏蔽电压电源1334设置为供给可以典型地等于或大于V_提取的屏蔽电压。此时，3个发射器1301-1303中的任一个与3个提取器1311-1313之间分别将不存在电压差——因此，发射器保持不激活并且不在发射带电粒子。接着，为了激活发射器1301，将从电源1331输出的电压增加至V_提取——现在，在发射器1301与提取器1311之间将存在等于V_提取的电压差，从而诱导从尖端1301的发射，而对于尖端1302-1303，仍将不存在发射，这是由于在尖端1302-1303与提取器1312-1313之间分别将不存在电压差。将遵循类似的规程来激活尖端1302或1303。为了同时激活尖端1301-1303的阵列当中的两个或更多尖端（参见图15），1331-1333当中的对应电源将被同时设置为V_提取。这里所示的示例示意了对仅3个发射器1301-1303的控制，但是显然，栅偏置电压电源的数目将被设置为等于要控制的源中的发射器的数目，诸如例如对于图5和7为6而对于图6和8-11为12。

各个实施例的不同操作模式的角强度和亮度

图14A是从源1402内的单个带电粒子发射器1404发射的带电粒子的侧示意图1400。典型地，将带电粒子（如图5-8中的电子或如图9-11中的离子）发射至以发射轴1408为中心的具有近似30°（~0.52弧度）半角1406的锥形立体角1410中。源1402的角强度则为：

角强度 = (来自发射器1404的电流) / [ π (角1406)² ]。

亮度为：

亮度 = (角强度) / [ π (虚拟源的直径)² / 4 ]。

在图14A的示例中，对于诸如图5-8中的冷场发射器的情况，虚拟源的直径可以非常小，因此即使在其中角强度不必非常大的情况下，操作于单发射器模式（即，仅激活一个发射器）的源1402的亮度可以非常高。因此，单发射器操作可以被称作“高亮度模式”。

图14B是图14A所示的带电粒子源的特写示意图1420，示意了非常小的虚拟源大小，该虚拟源大小对于冷场发射器而言可以向下变化至近似2 nm直径，而对于液态金属源而言该虚拟源大小可以处于20 nm直径的范围内。

图15A是从源1502内的发射器阵列内的3个带电粒子发射器1504-1506发射的带电粒子的侧示意图1500。典型地，将带电粒子（如图5-8中的电子或如图9-11中的离子）发射至以发射轴1508为中心的具有近似30°（~0.52弧度）半角1506的锥形立体角1510中。注意，在比源1502的大小大得多的距离处，所有这些锥形发射模式合并至具有等于每个个体发射器1504-1506的发射电流之和的总电流的带电粒子的单个锥体中。源1502的角强度则为：

角强度 = (来自发射器1504-1506的总电流) / [ π (角1506)² ]。

亮度为：

亮度 = (角强度) / [ π (虚拟源1514的直径)² / 4 ]。

在图15A的示例中，虚拟源的直径不再由单个发射器的虚拟源大小确定，而是取决于发射器1504-1506在源1502内的总体分布，如图15B所示。

图15B是图15A所示的带电粒子源的特写示意图1520。发射器1504-1506的总体空间分布跨越与发射轴1508垂直的距离1514。因此，对于亮度的计算，虚拟源大小比图14中大得多，从而导致该操作模式下的更低亮度。然而，由于总发射电流现在因所激活的发射器的总数（在该示例中为3）而增加，因此角强度增加。因此，多发射器操作可以被称作“高角强度模式”。

本发明的多发射器源的对准过程

图16是可适用于本发明的多发射器源的对准过程1600的流程图。如以上图1中所讨论的，该对准过程机械对准中心发射器（诸如图1中的发射器101），然后使用对发射器阵列中的所有其他（离轴）发射器（诸如图1中的发射器102-112）的电气对准。首先，在框1602中，将用于控制带电粒子枪的电子设备设置为以非常低的频率（诸如0.1至0.3 Hz）使枪透镜长度上下摇摆（通过周期性电压或透镜电流振荡），该频率足够慢以使得系统操作者能够在图像摇摆（即，在带电粒子系统的成像屏幕上左右和/或上下移动）时跟随图像。接着，在框1604中，仅激活中心发射器（诸如图1中的101）以沿镜筒发射带电粒子，从而在框1606中形成目标的图像。一般地，该图像将初始显现出一些摇摆，这是由于在不进行一些必要的机械调整的情况下该源极少将碰巧对准。如果在判决框1608中判断图像正在摇摆，则路径1610前进至框1612，在框1612中使用源机械运动来相对于镜筒轴重新定位整个发射器阵列。通常，在观察到的图像摇摆轴和量值与用于减小该摇摆的正确机械运动之间存在已知的相关性。一旦该源已移动，路径1614回到框1606，在框1606中执行后续目标成像以观察任何其余图像摇摆。一旦在框1608中判断图像不再摇摆，中心发射器就被认为与镜筒足够机械对准，并且路径1616前进至重复框1630内的框1632。

针对发射器k=2, 3, …, N执行重复框1630内的所有框，其中N是阵列中的发射器的总数。这允许离轴发射器k（k>1）中的每一个与镜筒电气对准。注意，这不同于与镜筒机械对准的中心发射器的情况。由于发射器阵列近似以中心发射器为中心，源阵列的机械对准最小化了离轴发射器的平均未对准，从而减小平均X-Y对准电压。在框1632中激活发射器k之后，在框1634中形成图像，这与在框1606中相同。如果判决框1636确定图像正在摇摆，则路径1630前进至框1640，在框1640中使用系统化规程来设置X-Y对准偏转（其可以是针对静电偏转器的电压或针对磁偏转器的电流）。通常，在观察到的图像摇摆轴和量值与用于减小该摇摆的正确电气X-Y波束偏转之间存在已知的相关性。一旦在框1640中已针对发射器k改变并保存X-Y对准偏转，路径1642就回到框1634，在框1634中执行后续目标成像以观察任何其余图像摇摆。一旦在框1636中判断图像不再摇摆，发射器k就被认为与镜筒足够电气对准。如果k<N，则k以1递增，并且对框1630进行重复。如果k=N，则路径1644前进至框1650，表明源内的所有发射器（诸如图1中的发射器101-112）准备好进行操作。

尽管发射器被描述为可电气寻址，但是也可以机械移动发射器以将其与镜筒轴对准。

尽管详细描述了本发明的实施例及其优势，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以对这里描述的实施例进行各种改变、替代和更改。电网的电压源可以来自单个电源并使用分压器，分离的电源可以用于每个电网，或者可以使用电压驱动器和电源的某种组合。尽管这些示例提供了电场以更改次级离子的轨迹，但是可以使用磁场，然而必须考虑磁场对初级波束的影响。此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的具体实施例。如本领域普通技术人员从本发明的公开中容易认识到的，根据本发明可以利用与这里描述的对应实施例执行实质上相同的功能或实现实质上相同的结果的、当前存在或以后待开发的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。据此，所附权利要求旨在在其范围内包括这些过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。

Claims (12)

1.一种带电粒子系统，包括：

镜筒，用于将带电粒子束聚焦到目标的表面上；

带电粒子源，包括多个带电粒子发射器，每个被配置为发射与镜筒的轴大体平行的带电粒子；

多个电连接，被配置为一个连接面向所述多个带电粒子发射器中的每个发射器或一组小于所有发射器；以及

发射器控制电路，用于控制所述多个带电粒子发射器，

其中所述发射器控制电路可操作为将多于一个且小于所有的发射器分组在一起，使得发射器的组可寻址以作为一组来发射或不发射，以及其中所述发射器控制电路可操作为以第一模式和第二模式来控制所述带电粒子源，在所述第一模式中仅单个发射器发射带电粒子，以及在所述第二模式中多个发射器同时发射带电粒子，所述带电粒子合并且被所述镜筒聚焦以形成单个带电粒子束，所述第二模式中的源具有比所述第一模式的亮度相对更低的亮度，以及具有比所述第一模式的角强度相对更高的角强度，其中角强度的量度为：总发射器电流/(π*(所述源的锥形角的半角)²)，以及其中亮度的量度为：(角强度)/(π*(虚拟源的直径)²/4)，其中所述虚拟源的直径取决于单个发射器的虚拟源大小或者取决于多个发射器在带电离子源内的总体分布。

2.根据权利要求1所述的带电粒子系统，其中所述带电粒子源包括一个中心发射器和多个离轴发射器，以及其中使所述中心发射器与所述镜筒机械对准并且使所述多个离轴发射器中的每个与所述镜筒电气对准且具有分离且唯一的X-Y对准偏转。

3.根据上述权利要求中任一项所述的带电粒子系统，其中，前述权利要求进一步包括带电粒子系统控制器，其可操作为针对要被单独使用的带电粒子发射器保存对准偏转设置并且在顺序的带电粒子发射器被单独激活时激活那些设置。

4.根据权利要求1或2所述的带电粒子系统，其中在第一模式中，至少两个带电粒子发射器被独立寻址以顺序地而不同时地发射带电粒子，以便延长所述发射器的寿命。

5.根据权利要求1或2所述的带电粒子系统，其中发射器中的至少两个能够被独立寻址以发射带电粒子或不发射带电粒子，从而允许发射器同时或顺序地发射。

6.根据权利要求1或2所述的带电粒子系统，其中所述带电粒子是电子或离子。

7.根据权利要求1或2所述的带电粒子系统，其中发射器是冷场电子发射器、气态场离子化离子发射器或液态金属离子发射器。

8.根据权利要求1或2所述的带电粒子系统，其中带电粒子镜筒包括：对准偏转器，其将所述多个带电粒子发射器与所述镜筒的轴对准。

9.根据权利要求1或2所述的带电粒子系统，其中所述多个带电粒子发射器内的每个发射器包括发射器尖端和提取电极。

10.根据权利要求9所述的带电粒子系统，其中所述发射器控制电路被配置为对每个发射器尖端施加分离电压，或者所述发射器控制电路被配置为对每个提取电极施加分离电压。

11.一种操作带电粒子束系统的方法，包括：

提供多个带电粒子发射器；

提供具有光轴的聚焦镜筒，所述聚焦镜筒能够将来自多个发射器的带电粒子聚焦到样本表面上；

独立寻址至少两个带电粒子发射器以使它们顺序地而不同时地发射带电粒子，以便延长所述发射器的寿命；以及

通过针对每个带电粒子发射器使用唯一的对准偏转器设置，将所述多个带电粒子发射器与所述聚焦镜筒的光轴对准。

12.一种操作带电粒子束系统的方法，包括：

提供包括多个带电粒子发射器的带电粒子源；

提供具有光轴的聚焦镜筒，所述聚焦镜筒能够将来自多个发射器的带电粒子聚焦到样本表面上；以及

使带电粒子同时从所述多个带电粒子发射器发射并由所述聚焦镜筒聚焦，来自多个发射器的所述带电粒子被组合以形成单个带电粒子束；

以第一模式和第二模式来控制所述带电粒子源，在所述第一模式中仅单个发射器发射带电粒子，以及在所述第二模式中多个发射器同时发射带电粒子，所述带电粒子合并且被所述镜筒聚焦以形成单个带电粒子束，所述第二模式中的源具有比所述第一模式的亮度相对更低的亮度，以及具有比所述第一模式的角强度相对更高的角强度，其中角强度的量度为：总发射器电流/(π*(所述源的锥形角的半角)²)，以及其中亮度的量度为：(角强度)/(π*(虚拟源的直径)²/4)，其中所述虚拟源的直径取决于单个发射器的虚拟源大小或者取决于多个发射器在带电离子源内的总体分布。