CN111213220A - 带电粒子束的空间相位操纵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于局部操纵沿束轴(Z)传播的带电粒子波的空间相位分布的装置(1)。该装置包括支撑元件(2)以及由该支撑元件(2)支撑的多个相位调节元件(3)，该支撑元件(2)具有用于接收沿束轴(Z)传播的带电粒子波的目标区域，该多个相位调节元件(3)位于该目标区域中且用于在带电粒子波撞击相位调节元件时局部调节该带电粒子波的相位。该装置还包括连接到该多个相位调节元件以用于单独控制每一个相位调节元件的多条控制线(4)。

Description

带电粒子束的空间相位操纵

技术领域

本发明涉及带电粒子束操纵的领域。更具体地，本发明涉及用于局部操纵带电粒子束(例如，电子束或离子束)的空间相位分布的方法和装置。

背景技术

带电粒子束(诸如电子束)用于例如显微镜和光刻应用中。例如，在扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)中，材料的结构和接合可以特别细节地研究，例如甚至细节到原子级。

已知在电子显微镜中使用电子束的相位调制来使束成形，诸如以具有有利的束特性。例如，可以将通常被称为相位板的相位操纵元件放置在电子显微镜中的电子束中(例如，这一电子显微镜的物镜的后焦平面中)以用于对弱相物体(诸如生物样本)进行成像。此外，带电粒子束的相位调制还可以在其他应用中使用，诸如带电束光刻和带电粒子加速器。

本领域已知的这种相位操纵元件的示例包括Zernike元件(参见例如US8071954)，例如包括在其中限定有小孔的非晶碳薄膜；Boersch元件(参见例如US 5814815)，其可以在微结构化的电极内施加静电势；和/或磁性元件(例如参见US 7851757)，例如包括影响束相位的磁性或磁化材料。作为另一示例，US 2008/202918公开了一种包括导电芯相位板的相位板。导电屏蔽薄膜覆盖芯相位板的外围。

然而，相位操纵不限于弱相物体的成像。通过向带电粒子波赋予轨道角动量来产生带电粒子涡流在本领域中也是已知的。这样的涡流波可用于诸如量子信息和纳米操纵等应用中。由于带电粒子携带磁矩，因此轨道角动量和磁矩的组合可以使用户能够探测被研究材料的磁态，例如以实现材料的原子分辨率磁测绘。例如，在国际专利申请WO 2013/092762和WO 2013/092764中，公开了用于该目的的装置。

根据WO 2013/092762，该装置包括支撑元件和感生装置，该支撑元件具有用于使沿束轴传播的带电粒子波透射的目标区域，该感生装置用于感生沿细长剖面的磁通量，该细长剖面具有位于该目标区域中的自由端部。感生意味着提供细长剖面的磁通量以便在带电粒子波透射穿过目标区域时感生该带电粒子波的相位相对于束轴的角梯度。

根据WO 2013/092764，该装置包括第一导电元件和第二导电元件，该第一导电元件包括围绕轴布置的多个成角度间隔的导电体，该第二导电元件沿该轴的方向与第一导电元件间隔开。第一和第二导电元件被适配成使沿该轴传播的带电粒子束透射。连接装置提供第一导电元件和第二导电元件上的电势差。该连接装置被适配成向多个成角度间隔的导电体供应电势，以用于在带电粒子波沿轴透射时感生该带电粒子波的相位的角梯度，其中沿电势轴的投射因变于相对于该轴的角度位置而变化。

发明内容

本发明的实施例的目的是例如在电子显微镜设备、电子或离子光刻设备或使用带电粒子束的类似设备(例如，粒子加速器)中提供用于配置带电粒子波的空间相位分布的可编程、通用、良好和/或高效的装置和方法。

以上目标由根据本发明的方法和装置来实现。

本发明的实施例的优点在于，带电粒子波的相位可以被动态地编程，例如在设计约束内自由配置，例如在自由空间中实现弱相位成像光束、涡流波、非衍射光束，诸如涡流波、贝塞尔光束、艾里光束、π束、螺旋线和/或蛇形光束和/或会聚或发散的光束。

本发明的实施例的优点是可编程带电粒子透镜(例如可编程电子透镜)可以通过这样的实施例来实现。

本发明的实施例的优点是可以在例如带电粒子光刻(例如电子或离子光刻)中实现良好的分辨率和/或速度。

本发明的实施例的优点是可以通过这样的实施例(例如在带电粒子束透镜中)校正像差。

本发明的实施例的优点是可以通过这样的实施例在电子显微镜中提供良好的对比度。

本发明的实施例的优点是可以在电子显微镜中(例如在TEM中)减少束损伤，例如相对于使用常规透镜、像差校正器和/或相位板的设备而言。

本发明的实施例的优点是可以提高电子显微镜中的分辨率，例如相对于使用常规透镜、像差校正器和/或相位板的设备而言。

本发明的实施例的优点在于，针对常规带电粒子设备的简单、便宜和/或小型的替代方案能够例如通过用根据本发明的实施例替代昂贵、笨重和/或复杂的透镜和/或相位板来实现。

本发明的实施例的优点是常规带电粒子透镜中的滞后效应可以通过根据实施例的装置来容易地补偿。

本发明的实施例的优点在于，常规带电粒子透镜中的滞后效应可以通过用根据实施例的可动态编程的装置替换此类带电粒子透镜来消除。

本发明的实施例的优点是可启用量子信息实验和/或应用。

本发明的实施例的优点是可以在由根据实施例的装置动态调制的自由电子载波上执行自由电子通信。

本发明的实施例的优点在于，带电粒子波的可编程空间相位分布可以用于获得与带电粒子波相互作用的材料的材料特性度量，诸如举例而言磁性、手性和/或应变性。

在第一方面，本发明涉及一种用于局部操纵沿束轴传播的带电粒子波的空间相位分布的装置。该装置包括具有目标区域的支撑元件，该目标区域用于接收(例如透射和/或反射)沿束轴传播的带电粒子波。该装置包括由该支撑元件支撑且位于目标区域中的多个相位调节元件，该多个相位调节元件用于在带电粒子波撞击相位调节元件(例如，透射穿过相位调节元件(或在相位调节元件附近透射)或由该相位调节元件反射)时局部调节该带电粒子波的相位。该装置包括连接到该多个相位调节元件以用于单独控制每一个相位调节元件的多条控制线。多个相位调节元件可被组织成二维阵列。

在根据本发明的实施例的装置中，每一个相位调节元件可以直接连接到相应的控制线以用于将该相位调节元件直接连接到控制器。控制器可被集成到该装置中或者可以例如经由连接器连接到该装置。

在根据本发明的实施例的装置中，相位调节元件可以在逻辑上被组织成逻辑行和逻辑列，以使得每一个相位调节元件能由至少一个列索引和一个行索引来唯一地标识。

在根据本发明的实施例的装置中，每一个相位调节元件可以直接连接到相应的多条控制线中的一对控制线以用于将该相位调节元件连接到控制器。该对控制线可包括列信号线和行信号线。列信号线和行信号线可以分别连接到形成逻辑列的相位调节元件以及形成逻辑行的相位调节元件。

在根据本发明的实施例的装置中，每一个相位调节元件可包括至少一个晶体管，该至少一个晶体管具有连接到行信号线的第一端子、连接到列信号线的第二端子、以及连接到电存储的第三端子。

在根据本发明的实施例的装置中，多个相位调节元件可被布置成笛卡尔网格图案或极栅网格图案。

在根据本发明的实施例的装置中，每一个相位调节元件可被成形为圆弧、圆扇形或圆弓形。

在根据本发明的实施例的装置中，每一个相位调节元件可包括静电相位调节元件。

在根据本发明的实施例的装置中，每一个静电相位调节元件可包括电极。至少一条控制线可被适配成控制电极的电势。

在根据本发明的实施例的装置中，电极可以是圆柱形、螺旋管形或环形，实施例不限于此。

根据本发明的实施例的装置可包括分别形成多个相位调节元件的电极上方的平面和/或下方的平面的第一参考电极和/或第二参考电极。

在根据本发明的实施例的装置中，第一参考电极和/或第二参考电极可以是穿孔平面电极。

在根据本发明的实施例的装置中，装置(例如，每一个静电相位调节元件)可包括参考电极。一个或多个参考电极可被布置成与静电相位调节元件的多个电极共面。

在根据本发明的实施例的装置中，第一参考电极和/或第二参考电极和/或(诸)参考电极可被供应参考电势，例如电接地。

根据本发明的实施例的装置可包括静电镜，该静电镜包括形成多个相变元件的图案化电极阵列。

在根据本发明的实施例的装置中，静电镜可以是静电掠射镜。

在根据本发明的实施例的装置中，多个相位调节元件可包括可控磁性元件，每一个可控磁性元件被适配成局部控制磁场以便由于阿哈罗诺夫—博姆(Aharanov-Bohm)效应而局部调节带电粒子波的相位。

根据本发明的实施例的装置可包括控制器，该控制器连接到多条控制线以用于控制由每一个相位调节元件单独导致的对带电粒子束的局部相位调节。

在根据本发明的实施例的装置中，控制器可包括处理器，该处理器用于对空间相位分布的空间图案进行编程并经由多个导电体控制多个相位调节元件以便相应地对该装置进行编程。

在第二方面，本发明还涉及一种电子显微镜设备，该电子显微镜设备包括根据本发明的第一方面的实施例的装置，该装置用于在目标区域被置于沿电子显微镜设备的束轴传播的带电粒子波中时局部操纵沿该束轴传播的带电粒子波的空间相位分布。

在第三方面，本发明涉及一种用于局部操纵沿束轴传播的带电粒子波的空间相位分布的方法。该方法包括提供沿束轴传播的带电粒子波；控制例如被组织成二维阵列的多个相位调节元件，诸如以便根据空间相位分布的空间图案来为每一个相位调节元件单独配置相位；以及通过使带电粒子波撞击多个相位调节元件(例如，使带电粒子波透射穿过多个相位调节元件或者由多个相位调节元件反射带电粒子波)来局部调节带电粒子波的相位。

本发明的特别和优选方面在所附独立和从属权利要求中阐述。从属权利要求中的技术特征可以与独立权利要求的技术特征相结合或适当地与其他从属权利要求中的技术特征相结合，而不仅仅是其在权利要求中明确阐明的那样。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的装置的第一视图。

图2示出了根据本发明的实施例的装置的第二视图。

图3示意性地示出了根据本发明的实施例的装置中的元件的寻址。

图4示出了根据本发明的实施例的装置的照片。

图5示出了根据本发明的实施例的装置中的示例性静电相位调节元件。

图6示出了根据本发明的实施例的装置中的示例性静电相位调节元件。

图7示出了可通过根据本发明的实施例来获得的相位分布配置。

图8示出了根据本发明的实施例的装置中的示例性静电镜相位调节元件。

图9示出了根据本发明的实施例的装置中的示例性静电掠射镜相位调节元件。

图10示出了根据本发明的实施例的装置中的示例性磁相位调节元件。

图11示出了根据本发明的实施例的相位调节元件的示例性矩形网格布局。

图12示出了根据本发明的实施例的相位调节元件的第一示例性极栅网格布局。

图13示出了根据本发明的实施例的相位调节元件的第二示例性极栅网格布局。

图14示出了根据本发明的实施例的装置的两个可动态配置的设置，这两个设置用于使电子束成形，诸如以实现半波相位板。

图15示出了根据本发明的实施例的装置的可动态配置的设置，该设置用于使电子束成形，诸如以实现四分波相位板。

图16示出了根据本发明的实施例的装置的可动态配置的设置，该设置用于使电子束成形，诸如以生成涡流波束。

图17示出了根据本发明的实施例的装置的两个附加示例性可动态配置的设置。

这些附图只是示意性而非限制性的。在附图中，出于说明目的，将某些元素的尺寸放大且未按比例绘出。

权利要求书中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的元素。

具体实施方式

将就特定实施例并且参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性的，并且是非限制性的。在附图中，出于说明目的，将某些元素的尺寸放大且未按比例绘出。尺寸和相对尺寸并不对应于为实践本发明的实际缩减。

此外，说明书和权利要求书中的术语第一、第二等被用于在类似元素之间进行区分，而不一定用于在时间、空间、排名或以任何其他方式描述顺序。应该理解如此使用的这些术语在合适环境下可以互换，并且在此描述的本发明的实施方式能够以除了本文描述或示出的之外的其他顺序来操作。

此外，说明书和权利要求中的术语顶部、下方等等用于描述性的目的并且不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或图示的取向之外的其他取向来操作。

应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限制于其后列出的装置；它并不排除其他元件或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味着对于本发明，设备的仅有的相关组件是A和B。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部是指同一实施例，但是可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如本领域普通技术人员从本公开文本将显而易见地，特定的特征、结构或特性可以任何合适的方式进行组合。

类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一个或多个的理解的目的，本发明的各个特征有时一起被编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，公开的此种方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体实施方式之后所附的权利要求由此被明确纳入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。

此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是如本领域技术人员将理解的那样，不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均能以任何组合来使用。

在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而要理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。

在第一方面，本发明涉及一种用于局部操纵沿束轴传播的带电粒子波的空间相位分布的装置。该装置包括支撑元件以及由该支撑元件支撑的多个相位调节元件，该支撑元件具有用于接收(例如，透射和/或反射)沿束轴传播的带电粒子波的目标区域，该多个相位调节元件位于该目标区域中且用于在带电粒子波撞击相位调节元件(例如，透射穿过相位调节元件或在相位调节元件附近透射，或者在相位调节元件上或附近反射)时局部调节该带电粒子波的相位。该装置还包括连接到该多个相位调节元件以用于单独控制每一个相位调节元件的多条控制线。多个相位调节元件可被组织成二维阵列。此外，多个相位调节元件也可被组织成三维阵列，例如包括堆叠在第三维度中的多个二维阵列。

参照图1和图2，示出了根据本发明的实施例的示例性装置1。

装置1被适配成局部操纵沿束轴Z传播的带电粒子波的空间相位分布。该带电粒子波可以是相干带电粒子波。

该带电粒子波可包括电子波或其他带电粒子波，例如离子或强子粒子波。

具体而言，该装置在操作中可适于根据可自由选择且控制的空间分布(例如二维平面中，例如可以在由于设计参数而导致的边界和/或约束内自由选择，例如可以在设计所强制的相移分辨率和/或范围约束和/或空间分辨率和/或范围约束内自由选择)来操纵带电粒子波的相位。

例如，如图2示意性地示出的，该装置可以在带电粒子波(例如，球面波或平面波)入射在该装置上之际将该带电粒子波的初始空间相位分布变为经调节的相位分布。例如，入射在该装置上的波前A可由该装置以可控方式扭曲成出射波前B。

装置1包括支撑元件2以及由该支撑元件2支撑的多个相位调节元件3，该支撑元件2具有用于接收沿束轴Z传播的带电粒子波的目标区域，该多个相位调节元件3位于该目标区域中。由此，支撑元件可包括用于机械地支撑且相对于束轴Z定位相位调节元件的基板、框架或类似的机械支撑结构。

例如，支撑元件2可包括用于诸如电子显微镜设备之类的带电束设备的真空触头固持件、被包括在该真空触头固持件中或附连到该真空触头固持件。

多个相位调节元件3(例如，每一个相位调节元件3)被适配成在带电粒子波撞击相位调节元件(例如，透射穿过该相位调节元件或至少在该相位调节元件附近透射和/或由相位调节元件反射或者在该相位调节元件附近反射)时(例如，在带电粒子波撞击相位调节元件的情况下)局部调节该带电粒子波的相位。

例如，沿束轴传播的带电粒子波的空间相位分布可由该多个相位调节元件3来调节，举例而言诸如以便获得目标可配置波前，例如通过局部相移波分量的干涉和衍射。

该装置还包括多条控制线4(例如，导电体)，这些控制线4连接到多个相位调节元件3以用于单独控制(例如，供电并控制)每一个相位调节元件，例如用于向每一个相位调节元件提供控制信号以控制该相位调节元件对带电粒子波的局部相位调节。

多个相位调节元件3可被组织成二维阵列。例如，在装置的操作中，二维阵列可被定向在相对于束轴Z成一角度的平面中。例如，该二维阵列可包括目标区域的笛卡尔网格或其他平铺(tiling)。

然而，本发明的实施例不一定限于此，例如在根据本发明的实施例的装置中，相位调节元件可以在逻辑和/或物理上被组织成单行，例如多个相位调节元件3可被组织成一维阵列。例如，这样的一维阵列可以有利地在能量色散平面中用于调谐电子波包的时间行为。例如，能量平面中的相位可以针对波包的时间形状进行解码，以使得调谐该相位可用于获得极致的时间分辨率。

对于通常在透射模式中操作的装置而言，该角度可以基本上垂直于束轴Z。对于通常在反射模式中操作的装置而言，该角度可以是在0°到90°的范围内，例如对于包括静电镜元件的装置而言。

例如，相位调节元件3可以在逻辑上被组织或可被组织成逻辑行和逻辑列，例如以使得每一个相位调节元件可由至少一个列索引和一个行索引来标识。这些行和列不一定需要对应于笛卡尔坐标，而是可对应于另一坐标系，例如极坐标系。

例如，二维阵列可形成相位调节元件3的笛卡尔网格，如图11所示。换言之，相位调节元件3可以在物理上被组织成物理行和物理列。例如，行数可以是至少两行，优选地是至少四行，例如至少六行、至少八行或至少十行。例如，列数可以是至少两列，优选地是至少四列，例如至少六列、至少八列或至少十列。行数和列数在数量上可以是相等或至少相似的。本发明的实施例不排除大大超过十的行数和/或列数，甚至是超过一个或多个数量级，例如1×10²或甚至1×10³。还应理解，本发明的实施例可以按各种方式背离原型笛卡尔网格，诸如行和/或列的不规则间距，不同的平铺(例如，通过使连续行的列相对于彼此偏移)和/或将网格覆盖的区域限于非矩形边界(例如，基本上是圆形或六边形的边界)。

参照图12和图13，二维阵列可形成相位调节元件3的极栅网格。例如，每一个相位调节元件(的中心)可对应于距中心的径向距离坐标以及角坐标(相对于任意参考方向)。逻辑行(或等价的逻辑列)可对应于距该中心的不同径向距离，并且各逻辑列(相应的各逻辑行)可对应于不同的角坐标。例如，相位调节元件可被布置成各组，其中每一组中的相位调节元件基本上与特定于该组的径向距离相对应。这些组的数量可以是至少两组，优选地是至少四组，例如至少六组、至少八组、至少十组或至少十二组。同样，在每一径向组中，相位调节元件可对应于多个角坐标，例如至少两个、优选地是至少四个，例如至少六个、至少八个、至少十个或至少十二个。例如，图12示出了其中由极栅网格结构覆盖12个径向坐标和4个角坐标的配置。图13示出了其中由极栅网格结构覆盖4个径向坐标和12个角坐标的配置。本发明的实施例不排除径向布置的行和/或成角度布置的列的大大超过十的数量，甚至是超过一个或多个数量级，例如1×10²或甚至1×10³。还应理解，本发明的实施例可以按各种方式背离原型极栅网格，诸如行和/或列的不规则间距、被布置成针对不同径向‘行’的各‘列’的不同(或相同)数量的角弧或弓形、和/或不同的平铺(例如，通过使连续行的各列相对于彼此角度偏移)。

尽管在各种说明性示例中，相位调节元件在各附图中被描绘为圆形元件，但本领域技术人员应当清楚，这并非是限制性的，并且相位调节元件的形状和结构可以因实施例而异，而不背离本发明的底层原理。例如，相位调节元件可被成形为圆形元件、矩形元件、正方形元件、三角形元件、六边形元件，而且还可被成形为弧(例如，圆弧)、扇形(例如，圆的扇形)或者弓形(例如，圆的弓形)。例如，被成形为弧、弓形和/或扇形的相位调节元件可以特别适于极栅网格布置，诸如图12和图13所示。

在本发明的实施例中，每一个相位调节元件3可以直接连接到相应的控制线4以用于将该相位调节元件直接连接到控制器5。例如，参照图4，示出了装置1，其中每一个相位调节元件3电连接到相应的导电体4。

在本发明的其它实施例中，每一个相位调节元件3可以直接连接到一对控制线4以用于将该相位调节元件连接到控制器5。这对导电体可包括列信号线和行信号线，列信号线和行信号线中的每一者都连接到多个相位调节元件的(不同)子集，例如分别连接到形成逻辑列的相位调节元件和形成逻辑行的相位调节元件。

例如，参照图3，相位调节元件3可包括至少一个晶体管，该至少一个晶体管具有连接到第一导电体4(例如，行信号线14)的第一端子(例如，栅极端子)、连接到第二导电体4(例如，列信号线15)的第二端子(例如，源极端子或漏极端子)、以及连接到电存储(例如，电容器)的第三端子(例如，漏极端子或源极端子)。电容器可以连接到电极11和/或附加的(诸)电极12，或者由电极11和/或附加的(诸)电极12形成，如以下进一步讨论的。

在另一示例中，该至少一个晶体管可包括双栅极晶体管，该双栅极晶体管具有连接到第一导电体4(例如，行信号线)的第一端子(例如，第一栅极端子)以及连接到第二导电体4(例如，列信号线)的第二端子(例如，第二栅极端子)。第三端子(例如，源极端子或漏极端子)可以连接到电存储(例如，电容器)。电容器可以连接到电极11和/或附加的(诸)电极12，或者由电极11和/或附加的(诸)电极12形成，如以下进一步讨论的。第四端子(例如，漏极端子或源极端子)可以连接到第三导电体4(例如，电源线)。

然而，本发明的实施例不限于这样的寻址装置，举例而言，如在可寻址电子阵列领域中已知的，每一个相位调节元件可包括附加晶体管和/或与附加导电体的附加连接，例如以便实现重置装置，该重置装置用于将阵列重置为预定参考状态(例如重置为接地电势)，和/或用于提供电源电压以使得在操作中保持相位调节元件的所选相位状态。例如，如果相位调节元件在操作中需要电流来执行所选相位调节，则可经由电源线来供应电流，并且该电流的流动可以例如经由附加晶体管并根据电存储中所存储的电荷来控制。

每一个相位调节元件3可包括静电相位调节元件，诸如单透镜。例如，参照图4和图5，每一个相位调节元件可包括电极11，并且至少一个导电体4可被适配成控制电极11的电势，例如用于直接供应电势或者用于间接控制电势的供应。由此，电极11附近的可控静电势可控制带电粒子波的局部相移。电极11可以是圆柱形、螺旋管形或环形，举例而言，诸如以便影响行进穿过由这一形状限定的开口的带电粒子的相位，同时还有利地减少带电粒子在电极上的吸收、反射或散射。然而，本发明的实施例不一定限于上述形状。例如，电极11可以是六边形、正方形、饼形、圆弧形、圆弓形或具有另一形状。

此外，每一个相位调节元件可包括多个电极11，每一个电极被适配成经由导电体4来单独控制。由此，多个电极可以连接到单个相位调节元件以使得每一个元件不仅提供可控扁平相前，而且还提供倾斜相前。

该装置可包括第一参考电极12和/或第二参考电极13。

第一参考电极12和第二参考电极13可以相对于束轴Z的方向分别形成多个相位调节元件3的电极11上方的平面和下方的平面。例如，可以为第一参考电极12和/或第二参考电极13供应参考电势和/或分别为第一参考电极12和/或第二参考电极13供应第一参考电势和第二参考电势。例如，第一参考电极12和/或第二参考电极13可以电接地。第一和/或第二参考电极可以是平面的，但本公开还构想其他形状。参照图6，第一和/或第二参考电极可以穿孔，例如以减少入射在参考电极上的带电粒子的吸收、散射和/或反射，同时维持该电极所限定的表面上的电势的良好均匀性。

替换地，该装置可包括一个参考电极12或多个参考电极12，其中(诸)第一参考电极被布置成与多个电极11共面。例如，每一个相位调节元件可包括电极11和参考电极12。例如，参考电极可以电接地，或者可以维持在另一预定参考电势。

例如，(诸)参考电极12可以与电极11隔开，并且可围绕每一个电极11，例如以至少270°角围绕电极11。例如，参考电极可形成围绕电极11的环或具有拓扑空穴的类似结构。

替换地，该装置可包括电隔离薄膜，例如足够薄以实现对入射带电粒子波的良好透明度。多个相位调节元件3可被适配成在该电隔离膜上对表面电荷进行空间调制，例如以便在该电隔离膜上生成可控的(通常是不同质的)表面电荷。

由此，该装置可包括单透镜阵列。然而，每一个相位调节元件3还可包括不同的静电相位调节元件，诸如静电镜，举例而言如图8和图9所示，其中每一个相位调节元件3包括电极31，例如形成图案化电极阵列。在这些实施例中，该装置还可包括棱镜32以及附加参考电极12，例如电接地的电极12。例如，附加参考电极12可被布置在电极11和棱镜32之间，并且该棱镜可被配置成将入射带电粒子波导向附加参考电极12和电极11。同样，棱镜可引导由静电镜反射的反射波，以使该反射波在被重定向之前基本上继续沿着入射带电粒子波的束方向传播。电极11的阵列可形成(虚拟的)可变形镜面。

静电镜可以是掠射入射镜，以便有利地减少操作常规的静电带电粒子光学镜所需的高电势，举例而言如图9所示。

替换地或另选地，多个相位调节元件3可包括可控磁性元件。每一个可控磁性元件可被适配成局部控制磁场以便由于阿哈罗诺夫—博姆效应而局部调节带电粒子波的相位。例如，这一相位调节元件可包括螺线管，例如环形螺线管。这一相位调节元件可包括用于存储磁性斯格米子(skyrmion)的磁性材料，举例而言诸如以形成斯格米子晶格。例如，多条控制线4可包括用于局部生成和/或改变相位调节元件中的斯格米子状态的导电体，或者可包括多条磁性总线，该多条磁性总线用于可控地致使斯格米子(例如，在连接到磁性总线的斯格米子生成器中生成)传播到相位调节元件，在该装置在操作中斯格米子可以被存储在该相位调节元件处。相位调节元件可包括用于存储磁涡流状态的可磁化元件，诸如举例而言在图10中示出的铁磁环35。

装置1还可包括控制器，该控制器连接到多条控制线以用于控制由每一个相位调节元件单独导致的对带电粒子束的局部相位调节。

例如，控制器5可包括用于经由多个导电体来控制每一个相位调节元件的寻址的寻址单元。例如，这一寻址单元可包括复用器和/或解复用器，例如在DRAM寻址中已知的。

控制器5可包括处理器，该处理器用于对空间相位分布的空间图案进行编程并且经由多个导电体来控制多个相位调节元件以便相应地对该装置进行编程。

该控制器可被适配成从用户接收选择和/或定义空间图案的输入。

控制器5可包括模拟器，该模拟器用于在与多个相位调节元件交互后模拟带电粒子波的空间相位分布。

控制器5可被适配成在数值上优化和/或计算用于多个相位调节元件的多个设置以获得或逼近作为输入从用户接收到的空间相位分布。

此外，控制器5可被适配成计算匹配的滤波器，例如用于模拟波-样本相互作用。例如，可通过对该相互作用建模来对(一组)量子力学方程求解，例如用于快速电子和样本系统的薛定谔方程。对匹配的滤波器的这一计算可包括通过相位调节元件的配置来实现对相位滤波器的迭代优化。例如，匹配的滤波器可以与样本中的目标特征(诸如预定目标分子)共轭。

在第二方面，本发明涉及一种电子显微镜设备，该电子显微镜设备包括根据本发明的第一方面的实施例的装置，该装置用于在目标区域被置于沿电子显微镜设备的束轴Z传播的电子波中时局部操纵沿该束轴Z传播的电子波的空间相位分布。

例如，电子显微镜设备可包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜和/或低能电子显微镜。

根据本发明的第一方面的实施例的装置可被置于该设备的物镜的后焦面中和/或被置于该设备的前焦面中，例如该设备的冷凝器平面中。

各实施例的优点在于可实现可编程和/或动态电子束成形，例如提供一种调谐电子束的波状态的通用且快速的方式。例如，可避免冗长地生产静态全息相位板。此外，可被根据各实施例的装置替代的相位板或其他元件的插入(例如TEM设备中)通常可导致显著的停机时间，该停机时间可通过根据各实施例的可编程装置来避免。此外，这样的常规全息掩模或其他静态相位调节装置通常可排除对所成形的电子束的任何迭代优化，并由此将研究和应用限于英雄实验(hero-experiment)和独一无二的实现。

根据本发明的第一方面的实施例的装置可用作对常规相位板的通用替代，例如在设备改造中，例如以扩展此类扫描或透射电子显微镜的能力。

例如，图14示出了根据本发明的实施例的包括如图13所示的那样布置的静电相位调节元件的装置的两个配置，例如可动态配置的配置，这两个配置用于使电子束成形(参见以下图14所示的束剖面)，诸如以便实现半波相位板。同样，图15示出了用于实现四分波相位板的配置和对应的束剖面。图16示出了用于实现涡流波相位板的配置和对应的束剖面。图17示出了这一装置的用于生成也如所描绘的非平凡束剖面的动态可配置设置的两个附加示例。

根据本发明的第一方面的实施例的装置可形成电子显微镜中的像差校正器(或其一部分)。

在透射电子显微镜中，可通过较少的电子来获得较多信息，并且可实现快速且高效的可调谐性，例如减少束损坏，提高对比度和/或分辨率，提高吞吐量并且提高可重复性。此外，可实现便宜且紧凑的仪器。

在扫描电子显微镜中，可以例如通过以低成本获得接近衍射极限的波束来实现高空间分辨率

在第三方面，本发明涉及一种例如带电粒子束设备(诸如电子显微镜设备)中的用于局部操纵沿束轴Z传播的带电粒子波的空间相位分布的方法。该方法包括提供沿束轴Z传播的带电粒子波，例如使用粒子加速器(例如，电子枪)来提供。该方法包括控制多个相位调节元件3(例如被组织成二维阵列)，诸如以便根据空间相位分布的空间图案来为每一个相位调节元件单独配置相位。该方法还包括通过将带电粒子波撞击该多个相位调节元件3来局部调节带电粒子波的相位。

该方法还包括操作(例如，使用)根据本发明的第一方面的实施例的装置。

该方法可以在根据本发明的第二方面的实施例的设备中执行。

通过对根据如上所述的实施例的装置和/或设备的描述，根据本发明的方法的附加特征将会是清楚的。

图7示出了可通过根据本发明的实施例来实现的示例性空间相位分布。该示例涉及2×2单透镜阵列，举例而言如图4的图片所示。该示例性装置已经在通过离子束铣削来图案化以便例如形成2×2元件网格的芯片上制造。制造方法不限于此，例如可使用其他光刻技术和/或其他CMOS和/或MEMS加工技术来制造这一装置。

在本示例中，展现了可通过按可调谐4缝配置产生偶极、四极和涡流场来对相位进行编程。

例如，根据相位调节元件的所编程的配置(如插图所示的相位基准0,0,0,0；0,π,0,π；0,0,π,π；0,π,π,0和0,1/2.π,3/4.π,π)观察到相长干涉21和相消干涉22。还展现了可通过甚至相位调节元件的简单2×2网格来创造涡流奇异性。

Claims (19)

1.一种用于局部操纵沿束轴(Z)传播的带电粒子波的空间相位分布的装置(1)，所述装置包括：

支撑元件(2)，其具有用于接收沿所述束轴(Z)传播的所述带电粒子波的目标区域，

由所述支撑元件(2)支撑且位于所述目标区域中的多个相位调节元件(3)，其用于在所述带电粒子波撞击所述相位调节元件时局部调节所述带电粒子波的相位，以及

多条控制线(4)，其连接到所述多个相位调节元件以用于单独控制每一个相位调节元件。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个相位调节元件被组织成二维阵列。

3.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，每一个相位调节元件(3)直接连接到相应的控制线(4)以用于将该相位调节元件直接连接到控制器(5)。

4.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述相位调节元件(3)在逻辑上被组织成逻辑行和逻辑列，以使得每一个相位调节元件(3)能由至少一个列索引和一个行索引来唯一地标识。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，每一个相位调节元件(3)直接连接到所述多条控制线(4)中的一对控制线以用于将该相位调节元件连接到控制器(5)，该对控制线包括列信号线(15)和行信号线(14)，所述列信号线和所述行信号线分别连接到形成逻辑列的相位调节元件和形成逻辑行的相位调节元件。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述相位调节元件(3)包括至少一个晶体管，所述至少一个晶体管具有连接到所述行信号线(14)的第一端子、连接到所述列信号线(15)的第二端子、以及连接到电存储的第三端子。

7.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述多个相位调节元件(3)被布置成笛卡尔网格图案或者极栅网格图案。

8.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，每一个相位调节元件(3)被成形为圆弧、圆的扇形或圆的弓形。

9.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，每一个相位调节元件(3)包括静电相位调节元件。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述静电相位调节元件包括电极(11)，并且其中所述控制线(4)中的至少一条控制线被适配成控制所述电极(11)的电势(V₁₁、V₁₂、V₂₁、V₂₂)。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述电极(11)是圆柱形、螺旋管形或环形。

12.如权利要求9到11中的任一项所述的装置，其特征在于，包括分别形成所述多个相位调节元件(3)的所述电极(11)上方的平面和/或下方的平面的第一参考电极(12)和/或第二参考电极(13)，其中所述第一参考电极(12)和/或所述第二参考电极(13)被供应参考电势(接地)。

13.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置包括静电镜，所述静电镜包括形成所述多个相位调节元件(3)的图案化电极阵列。

14.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述多个相位调节元件(3)包括可控磁性元件，每一个可控磁性元件被适配成局部控制磁场以便由于阿哈罗诺夫-博姆效应而局部调节所述带电粒子波的相位。

15.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，包括控制器，所述控制器连接到所述多条控制线以用于控制由每一个相位调节元件单独导致的对所述带电粒子束的局部相位调节。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述控制器(5)包括处理器，所述处理器用于对空间相位分布的空间图案进行编程并且经由多个导电体来控制所述多个相位调节元件以便相应地对所述装置进行编程。

17.一种电子显微镜设备，包括如前述权利要求中的任一项所述的装置，所述装置用于在所述目标区域位于沿所述电子显微镜设备的束轴(Z)传播的带电粒子波中时局部操纵沿所述束轴(Z)传播的所述带电粒子波的空间相位分布。

18.一种用于局部操纵沿束轴(Z)传播的带电粒子波的空间相位分布的方法，所述方法包括：

提供沿束轴(Z)传播的带电粒子波；

控制多个相位调节元件(3)，诸如以便根据所述空间相位分布的空间图案来为每一个相位调节元件单独配置相位；以及

通过使所述电粒子波透射穿过所述多个相位调节元件(3)来局部调节所述带电粒子波的相位。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述多个相位调节元件(3)被组织成二维阵列。

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