CN109076689A - 永久磁铁粒子束设备及并入可调性非磁性金属部分的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永久磁铁粒子束设备及并入可调性非磁性部分的方法。所述永久磁铁粒子束设备包含发射带电荷粒子束的粒子束发射器，且包含形成用于控制所述带电荷粒子束的聚集的磁场的一组永久磁铁。所述永久磁铁粒子束设备进一步包含非磁性电导体组件，所述非磁性电导体组件与所述一组永久磁铁安置在一起，以控制穿过所述磁场的所述带电荷粒子束的动能。

Description

永久磁铁粒子束设备及并入可调性非磁性金属部分的方法

相关申请的交叉参考

本申请主张2016年4月11日申请的第62/321,077号美国临时专利申请的权利，所述申请的全文以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及带电荷粒子束装置，且更特定来说，本发明涉及包含永久磁铁的粒子束装置。

背景技术

粒子束装置是为各种目的发射粒子束的一类电装置。在电子束的情况中，特定射束装置可为电子枪/发射器。尽管以下描述现有电子枪的缺点，但应注意这些缺点同样适用于其它类型的特定射束装置(例如，带正电荷或带负电荷的离子束)。

在电子枪的情况中，这些装置通常用于产生受控电子束，换句话说，通过加速及/或聚焦(聚集)所述电子束。在一些基础实施方案中，电子枪经配置具有永久磁铁以控制所述电子束。所述磁铁永久安置于电子枪外壳内以对控制所述电子束的磁场塑形。

就作者所了解，所有电子枪都具有控制发射器区域中的电场的专属萃取器电极。图1展示根据现有技术具有用于控制发射电流的萃取器的永久磁铁电子枪的一个配置实例。如所展示，图2包含安置于电子发射器102附近的萃取器107A、107B。萃取器107A、107B加速由电子发射器102在其开口处发射的电子束106，且接着引导电子束106穿过较小开口朝向永久磁铁104A、104B。此永久磁铁元件104A、104B提供聚集电子束106的磁透镜。在纳塞尔-戈德希(Nasser-Ghodsi)等人2012年5月10日申请的第8,513,619号美国专利中，标题为“用于电子源的非平面萃取器结构(Non-planar extractor structure for electronsource)”，有这种类型的永久磁铁电子枪的更详细描述。最理想的情况是萃取器控制发射，且不影响由永久磁铁透镜引起的聚集。然而，在现有技术的实际实施方案(例如纳塞尔-戈德希等人的第8,513,619号美国专利)中，萃取器同时影响来自电子枪的发射及聚集，使操作变得困难。此外，其中展示的萃取器具有可能难以制作的深井，且在发射器位置存在受限体积及较差的局部真空。

一种有助于解决在控制从永久磁铁电子枪聚集方面的缺陷的解决方案是部署磁性线圈而非永久磁铁。所述线圈实现可调磁场，但不幸的是其需要电力来产生所述磁场。考虑到线圈及电源连接，这又需要电子枪外壳比例如以上描述的永久磁铁配对物更大。

因此需要解决与基于现有技术永久磁铁的带电荷粒子枪装置相关联的这些及/或其它问题。

发明内容

本发明提供一种永久磁铁粒子束设备及包含可调性非磁性部分的方法。所述永久磁铁粒子束设备包含发射带电荷粒子束的粒子束发射器，且包含形成用于控制所述带电荷粒子束的聚集的磁场的一组永久磁铁。所述永久磁铁粒子束设备进一步包含非磁性电导体组件，所述非磁性电导体组件是与所述一组永久磁铁安置在一起，以控制穿过所述磁场的所述带电荷粒子束的动能。

附图说明

图1展示根据现有技术的具有用于控制发射电流的萃取器的永久磁铁电子枪的配置的一个实例。

图2展示根据实施例的具有拥有可调性的已附接非磁性金属部分的永久磁铁粒子束设备。

图3说明根据实施例的具有拥有可调性的未附接非磁性金属部分的永久磁铁粒子束设备。

图4说明相对于图1的现有技术实施方案的图2及图3的配置的效应的实例。

图5展示根据实施例的通过永久磁铁粒子束设备控制粒子束。

具体实施方式

图2展示根据实施例的永久磁铁粒子束设备，其具有附接的非磁性金属部分以实现可调性。特定来说，图2是另外的三维永久磁铁粒子束设备的截面。

应注意，尽管已展示永久磁铁粒子束设备的某些组件，但所述永久磁铁粒子束设备还可任选地包含图中未展示的额外组件。仅举例来说，所述永久磁铁粒子束设备通常可包含图2中未展示但在所属领域中已知的外壳及电连接。下文描述其它额外组件(其为任选地)。因此，图2应被解释为展示永久磁铁粒子束设备的内部部分的全部或部分。

此外，全文参考永久磁铁粒子束设备。这是指经配置以发射粒子束且包含用于控制所述粒子束的一组永久安置磁铁的电设备。然而，本文描述的本实施例还包含拥有可调性的非磁性电导体(例如，金属)部分，这是对例如图1中展示的类似现有技术装置的改进。永久磁铁粒子束设备可用于数种应用，包含(例如)用于电子束光刻的微聚焦元件。

如图2的本实施例中所展示，永久磁铁粒子束设备包含发射粒子束208的粒子发射器202。粒子束208是由一串粒子(可为电子或其它带电荷粒子)构成。永久磁铁粒子束设备还包含萃取器203A、203B，及形成用于控制粒子束208的聚集的磁场的一组永久磁铁204A、204B。

此外，永久磁铁粒子束设备包含非磁性金属(或其它非磁性电导体/半导体材料)组件206A、206B(即，电极)，其与所述一组永久磁铁204A、204B安置在一起，以控制穿过磁场的粒子束208的动能。此元件206A、206B在磁透镜的区域中控制粒子束208的动能且不影响磁场分布。尽管在横截面图中展示为两个部分206A、206B，但应注意在一个实施例中非磁性金属组件206A、206B可为具有通道的单一组件，粒子束208通过所述通道行进。例如，非磁性金属组件206A、206B可为非磁性金属材料的环或以其它方式塑形为圆柱形状的组件。

非磁性金属组件206A、206B可通过耦合(附接)到或以其它方式靠近永久磁铁204A、204B而与所述组永久磁铁204A、204B安置在一起。在所展示的实施例中，非磁性金属组件206A、206B耦合到永久磁铁204A、204B。特定来说，非磁性金属组件206A、206B可耦合到永久磁铁204A、204B的前侧(即，具有粒子束208在其上进入的开口的侧)。然而，设想其中非磁性金属组件206A、206B与所述一组永久磁铁204A、204B分离的另一实施例，且这在下文参考图3详细描述。

为此，非磁性金属组件206A、206B可安置于磁场最强的位置处或所述位置附近。然而，根据非磁性金属的已知科学性质，由于非磁性金属组件206A、206B是非磁性金属材料，所以非磁性金属组件206A、206B可控制粒子束208的静电电势且因此控制穿过磁场的粒子束208的动能而不干扰(更改或降级)由所述一组永久磁铁204A、204B形成的磁场。应注意，非磁性金属组件206A、206B的形状可影响控制位于或靠近磁透镜区域的粒子束208的动能的程度。因此，非磁性金属组件206A、206B可制造为具有以所要程度影响粒子束208的速度的形状，因此提供永久磁铁粒子束设备的可调性。

如图中所展示(作为添加射束孔径作用的非磁性组件206A、206B的特定实例)，接收来自发射器202的粒子束208作为输入的非磁性金属组件204A、204B的第一开口可大于输出粒子束208所穿过的非磁性金属组件204A、204B的第二开口。非磁性金属组件206A、206B的此配置允许粒子束208通过非磁性金属组件204A、204B聚焦。当然，非磁性金属组件204A、204B的此开口配置是任选的，或可经配置具有在输出处提供粒子束208的所要速度及射束电流的相应开口尺寸。

图3说明根据实施例的具有拥有可调性的未附接非磁性金属部分的永久磁铁粒子束设备。永久磁铁粒子束设备如上文相对于图2所描述的，除了非磁性金属组件206A、206B并不是如图2中展示的电连接到永久磁铁204A、204B，图3展示了其中非磁性金属组件207A、207B与所述组永久磁铁204A、204B电分离的实施例。

在以上针对图2及3描述的实施例中的每一者中，揭示一种与微型尺寸装置及高真空兼容的架构。包含非磁性金属组件206A、206B或207A、207B提供对靠近或处于磁场的峰值处的静电电势的控制，这又最大化射束聚集可调性且减少永久磁铁204A、204B上的动能变化的能力。

在图2及3中展示的实施例中，永久磁铁粒子束设备可不必包含分离萃取器。这是可能的，因为非磁性金属组件206A、206B或207A、207B本身在永久磁铁204A、204B处可提供萃取器及如以上描述的射束限制孔径，但所述功能是任选且用例特定的。另外，当由非磁性金属组件206A、206B或207A、207B提供射束限制孔径的新位置(即，在磁铁处而非在发射器202处，如使用萃取器时的另一情形)时，所述新位置更远离发射器202且其直径可稍大，且当与更靠近粒子发射器的先前位置相比较时具有一组宽松的容限。这可提供工艺中的优势。当然，如以上所描述，此射束限制孔径对非磁性金属组件206A、206B或207A、207B是任选的。

然而作为选项，以上针对图2及3描述的永久磁铁粒子束设备还可包含萃取器(未展示)，其完全与非磁性金属组件206A、206B或207A、207B分离，使得所述永久磁铁粒子束设备经设计以分离由所述萃取器提供的尖端萃取器真空区域与由非磁性金属组件206A、206B或207A、207B及永久磁铁204A、204B的组合提供的电极真空。在此情况中，所述萃取器不需要代表受限体积的较长半闭合孔，如图1中揭示的现有技术中的情形。图2及3的架构(包含萃取器)可提供整个永久磁铁粒子束设备区域的真空架构及导电性的更大灵活性，因为现在所述萃取器是完全分离的电极且射束限制孔径可驻存于非磁性金属组件206A、206B或207A、207B上。

在永久磁铁粒子束设备包含萃取器的情况中，可减少萃取场的改变与聚集之间的串扰。例如，萃取器上的动能变化对聚集的影响弱于现有技术永久磁铁粒子束设备架构中观察到的影响。这是因为在针对图2及3描述的架构中，萃取器不位于磁透镜场的峰值区域。

此外，独立控制聚集可具有静电电压。过去，必须加入位于更下游处的分离静电聚集透镜。个别永久磁透镜电压控制及非磁性金属组件提供所述功能且具有低得多的所需调谐电压范围。

以上针对图2及3描述的永久磁铁粒子束设备还可增强工艺性。可通过精确挑选射束限制孔径尺寸的个别选择来制造、选择且定位个别非磁性金属组件206A、206B或207A、207B。由于微米数量级的小孔径尺寸，可从制造批次“择优挑选”非磁性金属组件206A、206B或207A、207B以允许更加符合目标容限及系统对系统一致性。

此外，以上针对图2及3描述的永久磁铁粒子束设备可利用低功率驱动电子。由电压控制非磁性金属组件206A、206B或207A、207B。小漏泄电流加电容是唯一相关的阻抗。所以除了相对较高的编程速度外，还不需要用于驱动高电感线圈的大电流，如原本具有以上相对于图1描述的架构的电子枪的情形。图2及3中的架构无需冷却且可允许聚集时的高速变化。后者对未来带电荷粒子装置是有价值的。

图4说明相对于图1的现有技术实施方案的图2及图3的配置的效应的实例。如所展示，图1中的设备提供了是需要维持发射的特定水平的萃取场的强大功能的射束聚集。因此，图表中的线展示最陡斜率(或耦合)。

图2中的设备的斜率比图1中的设备所引起的斜率小约5倍。这意味着在设备的下游处需要针对聚集的少量校正，提供源头处的更大可调性且提供更大轴向容限预算。

如图中展示的图3中的设备允许全面控制发射及聚集以无需安置于设备的下游处的额外聚集透镜。

图5说明通过永久磁铁粒子束设备控制粒子束的方法500。方法500包含在操作502中通过粒子束发射器发射带电荷粒子束。接着在操作504中，所述带电荷粒子束透射通过由一组永久磁铁形成的用于控制带电荷粒子束的聚集的磁场。此外，在操作506中，使用与所述一组永久磁铁安置在一起的非磁性电导体组件控制穿过所述磁场的带电荷粒子束的动能。

尽管以上描述各种实施例，但应了解其仅以实例方式呈现且不具有限制性。因此，优选实施例的广度及范围不应由以上描述的示范性实施例中的任何者限制，而应仅根据所附权利要求书及其等效物界定。

Claims (18)

1.一种永久磁铁粒子束设备，其包括：

带电荷粒子束发射器，其发射粒子束；

一组永久磁铁，其形成用于控制所述带电荷粒子束的聚集的磁场；及

非磁性电导体组件，其与所述一组永久磁铁安置在一起，以控制穿过所述磁场的所述带电荷粒子束的动能。

2.根据权利要求1所述的永久磁铁粒子束设备，其中所述带电荷粒子束是电子束。

3.根据权利要求1所述的永久磁铁粒子束设备，其中所述非磁性电导体组件耦合到所述一组永久磁铁。

4.根据权利要求1所述的永久磁铁粒子束设备，其中所述非磁性电导体组件与所述一组永久磁铁分离。

5.根据权利要求1所述的永久磁铁粒子束设备，其中所述非磁性电导体组件安置于所述磁场最强的位置。

6.根据权利要求1所述的永久磁铁粒子束设备，其中所述非磁性电导体组件是金属。

7.根据权利要求1所述的永久磁铁粒子束设备，其中接收来自所述发射器的所述带电荷粒子束作为输入的所述非磁性电导体组件的第一开口大于输出所述带电荷粒子束所穿过的所述非磁性电导体组件的第二开口。

8.根据权利要求1所述的永久磁铁粒子束设备，其中所述非磁性电导体组件的形状影响控制所述带电荷粒子束的所述动能的程度。

9.根据权利要求1所述的永久磁铁粒子束设备，其中所述非磁性电导体组件控制穿过所述磁场的所述带电荷粒子束的所述动能，且不干扰由所述一组永久磁铁形成的所述磁场。

10.一种用于通过永久磁铁粒子束设备控制粒子束的方法，其包括：

通过粒子束发射器发射带电荷粒子束；

使得所述带电荷粒子束透射通过由一组永久磁铁形成的用于控制所述带电荷粒子束的聚集的磁场；且

使用与所述一组永久磁铁安置在一起的非磁性电导体组件来控制穿过所述磁场的所述带电荷粒子束的动能。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述带电荷粒子束是电子束。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述非磁性电导体组件耦合到所述一组永久磁铁。

13.根据权利要求10所述的方法，其中所述非磁性电导体组件与所述一组永久磁铁分离。

14.根据权利要求10所述的方法，其中所述非磁性电导体组件安置于所述磁场最强的位置。

15.根据权利要求10所述的方法，其中所述非磁性电导体组件安置于所述磁场最强的位置附近。

16.根据权利要求10所述的方法，其中所述带电荷粒子束在所述非磁性电导体组件的第一开口处被接收作为输入，且被输出穿过所述非磁性电导体的第二开口，且其中所述第一开口大于所述第二开口。

17.根据权利要求10所述的方法，其中控制所述带电荷粒子束的所述动能的程度是基于所述非磁性电导体组件的形状。

18.根据权利要求10所述的方法，其中所述非磁性电导体组件控制穿过所述磁场的所述带电荷粒子束的所述动能，且不干扰由所述一组永久磁铁形成的所述磁场。