CN111712899A

CN111712899A - 带电粒子束源和用于组装带电粒子束源的方法

Info

Publication number: CN111712899A
Application number: CN201880074000.2A
Authority: CN
Inventors: 伊泰·阿苏林; 奥弗·尤利; 拉维·沙维特; 盖伊·伊坦; 纳坦·施利莫夫; 伊戈尔·克里夫茨(克莱维茨); 雅各布·莱文; 伊斯拉埃尔·阿夫内里; 约拉姆·乌兹尔
Original assignee: Applied Materials Israel Ltd
Current assignee: Applied Materials Israel Ltd
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2020-09-25
Also published as: TWI825050B; TW201933414A; US11189451B2; US20210175040A1; US20200234907A1; US10886092B2; KR20200088914A; WO2019118489A1

Abstract

一种带电粒子束源，所述带电粒子束源可包括发射器，所述发射器具有用于发射带电粒子的尖端；插座；电极；丝，所述丝连接到这些电极并且连接到所述发射器；用于向所述丝提供电信号的电极；支撑元件，所述支撑元件连接到所述发射器；和支撑结构，所述支撑结构包含一个或多个界面，所述界面用于在支撑所述支撑元件的同时仅接触所述支撑元件的一部分。

Description

带电粒子束源和用于组装带电粒子束源的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2017年12月13日递交的美国专利申请第62/598,385号的优先权，出于所有目的将上述申请的全部内容通过引用并入于此。

发明的领域

本发明涉及电子源，特别是涉及减小发射器尖端的振幅振动，更特别地涉及应用于聚焦电子束系统的冷场发射电子源。

发明的背景

电子束设备用于许多工业领域中，包括但不限于高分辨率计量和检查系统、用于平版印刷术的曝光系统、检测设备、测试装置和其他的工业领域。

在这些电子束设备中的第一阶段是产生电子束。

通常在电子束设备使用中各种类型的电子源。有热离子(thermionic)阴极、肖特基(Schottky)发射器和冷场发射器(CFE)。

CFE电子源与其他技术相比具有若干优势。CFE电子源的低能量发散允许改善电子束设备的分辨率。此外，由于较小的虚拟源尺寸，CFE电子源的亮度(brightness)远高于其他电子源。

CFE电子源的亮度比热离子发射器高三个数量级，并且比肖特基发射器高一个数量级。此外，CFE电子源具有很长的寿命。

在图1中示出现有技术CFE电子源10的等距视图。

CFE电子源10包括丝(filament)2，丝2支撑并且加热具有尖端4的发射器3，电子从尖端4发射。尖端4具有小的(纳米级)半径。

可以通过安装在绝缘(陶瓷材料)插座(socket)上的电极5向丝2供应加热电流。

在加热工艺期间供应加热电流，所述加热工艺在电子发射器为了正常操作、为了清洁、为了处理或为了其他原因而需要加热的情况下使用。例如，周期性地加热发射器3，提供尖端表面的清洁(闪火(flashing))以使电子发射过程稳定。发射器3通常由钨、钽、铼、钼、铱、其他类似金属或这些金属的合金的单晶制成。

CFE电子源的缺点之一是发射器3的机械振动。这样的振动显著地限制了电子束设备的可实现的分辨率。这些振动的频率在kHz范围内，并且可导致具有几纳米幅度的电子束偏移。

已经发现CFE电子源的共振频率是几千赫兹(例如——2845千赫兹)，这意味着环境声波造成CFE电子源振动。

越来越需要提供非常稳定的CFE电子源，尤其是向具有亚纳米性能的系统提供非常稳定的CFE电子源。

发明内容

可以提供一种冷场发射器和一种用于组装冷场发射器的方法。

附图简要说明

在申请文件的结论部分特别指出并且清楚地要求保护被视为发明的主题。然而，可通过在与附图一起阅读时参考以下的详细说明而最好地理解同时作为组织和操作方法的本发明，连同本发明的目的、特征和优点，其中：

图1示出现有技术CFE电子源的等距视图；

图2示出CFE电子源的示例的等距视图；

图3示出CFE电子源的示例的局部横截面；

图4示出CFE电子源的示例的局部横截面图；

图5示出CFE电子源的示例的局部横截面图；

图6示出用于组装CFE电子源的夹具(jig)的示例的横截面图；并且

图7图示方法的示例。

可以理解，为了图示的简化与清楚起见，图中所示的元件不必按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可能相对于其它元件而夸大。此外，在适当的情况下，参考数字可于多幅图之间重复以代表对应的或类似的元件。

一些实施方式的详细说明

在以下的详细说明中，阐述诸多具体细节以提供对本发明的彻底理解。然而，本领域技术人员应理解可在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在其它示例中，为了不使本发明模糊，没有详述熟知的方法、过程和部件。

在申请文件的结论部分特别指出并且清楚地要求保护被视为发明的主题。然而，可通过在与附图一起阅读时参考以下的详细说明而最好地理解同时作为组织和操作方法的本发明，连同本发明的目的、特征和优点。

因为通常可使用本领域技术人员所熟知的电子部件和模块来实现本发明的图示的实施方式，所以为了理解和领略本发明的下述概念并且为了不混淆本发明的教导或或从本发明的教导分散注意，如以上解释的，将不会以大于认为是必需的范围来解释细节。对于各种部件指定相同的参考数字可表示这些部件彼此相似。

图2示出带电粒子束源(诸如CFE电子源100)的示例的等距视图，CFE电子源100包括电子发射器的附加支撑件。CFE电子源100包括陶瓷插座101和丝102，丝102支撑并且加热具有尖端104的发射器103，电子从尖端104发射出来。

尖端104可具有可能的最小半径——但这不一定如此。

可以通过电极105向丝102供应加热电流，电极105安装在绝缘插座(诸如陶瓷插座101)上。

加热工艺在电子发射器为了正常操作、为了清洁、为了处理或为了其他原因而需要加热的情况下使用。

陶瓷插座101具有陶瓷尖端支撑件106，陶瓷尖端支撑件106是陶瓷插座101的组成部分(integral part)。发射器103连接到支撑元件，支撑元件诸如是可以通过点焊连接的发射器梁(beam)107。发射器梁107是支撑元件的非限制性示例。

发射器梁107由陶瓷尖端支撑件106上的两个端部支撑。丝102例如通过点焊接合到电极105。发射器103的附加支撑件允许增大结构的刚度、增大共振频率和减小共振振荡的幅度。

图3图示CFE电子源100的示例的局部横截面图，CFE电子源100具有电子发射器203的支撑件208和支撑件209。支撑件208和支撑件209是尖端支撑件206的整合部分(integrated part)。支撑件208和支撑件209可以是圆柱形支撑件。

例如，发射器梁207通过点焊连接到电子发射器203。

在清洁工艺期间，丝加热尖端。丝加热发射器和发射器梁。发射器和发射器梁在加热时膨胀，然后在加热工艺结束后收缩。发射器梁的膨胀和收缩造成发射器梁相对于支撑件208和支撑件209移动。这些移动不应被支撑件208和支撑件209妨碍。因此，最小化(或以其他方式减小)发射器梁207、支撑件208和支撑件209之间的摩擦力可以是有益的。

可通过以DLC(类金刚石碳)涂覆支撑件208和支撑件209的表面和/或通过任何其他方式来减小摩擦力。DLC涂层具有高表面硬度、低摩擦系数、高耐磨性和与超高真空(UHV)环境的兼容性。然而，这样的涂层可在最高达500℃的温度下使用。对于高温应用，可使用例如氮化钛(TiN)或氮化铬(CrN)涂层。

表1呈现具有支撑件208和支撑件209的CFE电子源100的模态分析(通过ANSYS仿真工具的有限元分析)的结果。

模态	固有频率(Hz)	尖端操作偏移形状
			第一	19335	沿X轴
第二	19425	沿Y轴
			第三	19630	绕Z轴
第四	22528	沿X轴
			第五	35978	沿X轴
第六	38446	绕Z轴

第一模态的固有频率增加到约6.5倍，这使共振振荡的幅度减小到近似1/40。

图4图示具有发射器303的球形支撑件(诸如球形支撑件308和球形支撑件309)的示例CFE电子源100的局部横截面图。球形支撑件308和球形支撑件309例如由蓝宝石制成，蓝宝石提供在低摩擦力下操作的能力、在UHV环境和高温下的高耐磨性。

球形支撑件308和球形支撑件309安装在尖端支撑件306上的圆锥形凹穴(pocket)中。这样的设计允许获得从发射器梁307到尖端支撑件306的最小热传递(因为，在这种情况下，球形支撑件308和309与尖端支撑件306之间的理论接触是点)，这稳定了发射器303的温度。例如，发射器梁307通过点焊连接到发射器303。

为了简化说明，未示出支撑并且加热发射器303的丝。发射器303的固有频率接近表1中所示的结果。

在图5中示出CFE电子源100的示例的其他示意性局部横截面图。在这里，发射器403具有球形支撑件410，球形支撑件410通过焊接连接到发射器403。发射器403的支撑表面可被塑形为球曲线。

发射器403(经由球形支撑件410)可自由地支撑发射器梁407。发射器梁407在一端刚性地(rigidly)(例如通过铜焊(brazing)或钎焊(soldering))连接到尖端支撑件406，而发射器梁407的另一端由球形支撑件409支撑，球形支撑件409安装到尖端支撑件406的圆锥形凹穴中。

球形支撑件409可由蓝宝石制成——蓝宝石提供在低摩擦力下操作的能力和在UHV环境和高温下的高耐磨性。

此设计在发射器403与发射器梁407之间具有非常小的接触面积——这使这些零件之间的热传递最小化。为了简化说明，这里没有示出支撑并且加热发射器403的丝。

电子发射器403的固有频率接近表1中所示的结果。

图6示出用于组装CFE电子源100的调整夹具的示例的局部横截面图的示意图。

调整夹具包括具有中心孔511的可调整柱塞510、螺旋弹簧512、弹簧柱塞513、壳体514和调整螺钉(screw)515。

壳体514安装在陶瓷插座(在图6中未示出)上，并且发射器503位于可调整柱塞510的中心孔511内。

调整螺钉515移动弹簧柱塞513并且压缩螺旋弹簧512，这改变了将可调整柱塞510按压到发射器梁507上的力，例如由尖端支撑件506的圆柱形支撑件支撑发射器梁507。

因此，调节需要的挠度(deflection)Δ的量。可通过光学、电子或机械仪器测量挠度Δ。挠度Δ的值可取决于系统(例如，发射器、发射器梁和丝)的几何参数。发射器梁的挠度Δ可确保在正常操作条件下和在发射器的加热期间(当系统部件膨胀时)发射器梁与发射器梁的支撑件之间的恒定接触。

通过以下过程执行冷场发射器电子源的调整和组装：

将具有发射器梁的发射器安装在调整夹具上(发射器位于夹具中心孔内，发射器梁与可调整柱塞接触)。

将具有发射器和发射器梁的夹具安装在插座上。

将整个结构刚性地固定在插座上。

设定需要的变形Δ的量。

将丝焊接到电极上。

从插座上卸下夹具。

图7图示方法700的示例。

方法700用于组装带电粒子束源。

方法700可由步骤710开始：通过定位装置将支撑元件定位在支撑结构的一个或多个界面上。支撑元件属于带电粒子束源并且连接到发射器，所述发射器具有用于发射带电粒子的尖端。带电粒子束源还可包括插座、电极、丝，所述丝连接到所述发射器和用于向所述丝提供电信号的电极。

步骤710之后可以是步骤720：将丝连接到电极。

步骤720之后可以是步骤730：从定位装置释放支撑元件。

步骤710可以包括以下步骤中的至少一个：

使支撑元件朝向支撑结构弯曲。

将支撑元件仅连接到支撑结构的单个点。

步骤710可排除以下步骤：将支撑元件连接到支撑结构。

步骤720可以包括将丝焊接到电极。

术语“包含”是“包括”、“含有”或“具有”的同义词(表示相同的意思)，并且是包括性或开放式的，而不排斥另外的、未列举的元件或方法步骤。

术语“由……组成”是封闭式的(仅包括所陈述的内容)，而排除任何另外的、未列举的元件或方法步骤。

术语“基本上由……组成”将范围限制于指定的材料或步骤和那些不会实质上影响基本并且新颖的特征的材料或步骤。

在权利要求书和说明书中，对术语“包含”(或“包括”或“含有”)的任何提及应作适当变动而应用于术语“由……组成”，并且应作适当变动而应用于短语“基本上由……组成”。

在前述的说明书中，已经参照本发明实施方式的具体示例描述本发明。然而，很明显的是，在不脱离如在所附的权利要求书中阐述的本发明更广的精神和范围的情况下，可对本发明作各种修改和变化。

此外，说明书和权利要求中如果有术语“前”、“后”、“顶”、“底”、“上方”、“下方”和类似术语，这些术语是用于说明的目的而不必然用于描述永久的相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，使得本文描述的本发明的实施方式例如能够以不同于本文中所示或以其他方式描述的方向来操作。

本领域技术人员将认识到，逻辑块之间的边界仅是作为说明，并且替代的实施方式可合并逻辑块或电路元件或者对各种逻辑块或电路元件施加功能的替代分解。因此，可以理解的是，本文所描述的架构仅仅是示例性的，并且事实上可以实施许多其他架构而实现相同的功能。

实现相同功能的任何部件布置被有效地“关联”，使得期望的功能得以实现。因此，经组合以实现特定功能的本说明书中的任何两个部件可以被看作是彼此“有关联的”，使得不管架构或中间部件如何，都能实现期望的功能。同样地，如此相关联的任何两个部件也可以看作是彼此“可操作地连接”或“可操作地耦接”以实现所期望的功能。

另外，本领域技术人员将认识到上述操作之间的边界仅是说明性的。可结合多个操作为单一操作，单一操作可分配在额外的操作中，并且可在时间上至少部分重叠地执行操作。此外，替代实施方式可包括特定操作的多个示例，并且操作的顺序可在各种其它实施方式中改变。

然而，其他修改、变型和替换也是可能的。因此，说明书与图片应视作说明性的而不是在限制性的意义上。

在权利要求书中，置于括号之间的任何参考标记不应被解释为限制该权利要求。“包含”一词不排除权利要求中所列的元件或步骤之外的其他元件或步骤。另外，本说明书所用的术语“一”定义为一个或多于一个。此外，权利要求书中的介绍性短语诸如“至少一个”和“一个或多个”的使用不应解释为暗示由不定冠词“一”引入的另一权利要求元件将含有此引入权利要求元件的任何特定权利要求限制为只含有一个此元件的发明，即使当相同权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”和诸如“一”的不定冠词，也是如此。相同的原则对于定冠词的使用也成立。除非另外陈述，否则术语诸如“第一”和“第二”用于任意地区分这样的术语所描述的元件。因此，这些术语不必意图表示这样的元件的时间或其他优先顺序。某些手段记载在互不相同的权利要求中的事实不表示不能有利地使用这些手段的组合。

虽然已在本文中说明和描述本发明的某些特征，但本领域技术人员会想到许多修改、替换、改变和等效物。因此，可以理解的是，所附的权利要求书意欲涵盖落于本发明真正精神内的所有这样的修改和变化。

Claims

1.一种带电粒子束源，包含：

发射器，所述发射器具有用于发射带电粒子的尖端；

插座；

电极；

丝，所述丝连接到这些电极并且连接到所述发射器；

其中这些电极经配置以向所述丝提供电信号；

支撑元件，所述支撑元件连接到所述发射器；和

支撑结构，所述支撑结构包含一个或多个界面，所述界面用于在支撑所述支撑元件的同时仅接触所述支撑元件的一部分。

2.如权利要求1所述的带电粒子束源，其中这些电极延伸穿过在所述插座中形成的孔洞(aperture)。

3.如权利要求1所述的带电粒子束源，其中所述丝包含第一丝元件和第二丝元件，所述第一丝元件连接到这些电极的第一电极，所述第二丝元件连接到这些电极的第二电极；并且其中所述支撑结构定位于所述第一丝元件与所述第二丝元件之间。

4.如权利要求1所述的带电粒子束源，其中所述支撑结构的纵轴平行于所述尖端的纵轴。

5.如权利要求1至4中任一项所述的带电粒子束源，其中所述支撑元件松散地(loosely)耦接到所述支撑结构。

6.如权利要求1至4中任一项所述的带电粒子束源，其中所述支撑元件仅连接到所述支撑结构的一个点。

7.如权利要求1所述的带电粒子束源，其中所述一个或多个界面包括一个或多个可移动元件，所述可移动元件可移动地耦接到所述支撑结构的主体。

8.如权利要求1所述的带电粒子束源，其中所述一个或多个界面包括一个或多个可移动球体，所述可移动球体可移动地耦接到所述支撑结构的主体。

9.如权利要求1所述的带电粒子束源，其中所述一个或多个界面包括一个或多个隔热件。

10.如权利要求1所述的带电粒子束源，其中所述一个或多个界面延伸超出所述支撑结构的中间部分，从而当所述支撑结构支撑所述支撑元件时，在所述中间部分与所述支撑元件之间限定间隙。

11.如权利要求1所述的带电粒子束源，其中所述插座和所述支撑结构是陶瓷的。

12.如权利要求1所述的带电粒子束源，其中所述发射器的共振频率超过10000赫兹。

13.如前述权利要求中任一项所述的带电粒子束源，其中支撑元件是具有纵轴的梁，所述纵轴与由所述丝限定的假想平面正交。

14.一种用于组装带电粒子束源的方法，所述方法包括以下步骤：

通过定位装置将支撑元件定位在支撑结构的一个或多个界面上；其中

所述支撑元件属于带电粒子束源并且连接到发射器，所述发射器具有用于发射带电粒子的尖端；其中所述带电粒子束源进一步包括插座、电极、丝，所述丝连接到所述发射器和和用于向所述丝提供电信号的这些电极；

将所述丝连接到这些电极；和

将所述支撑元件从所述定位装置释放。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述连接的步骤包括以下步骤：将所述丝焊接到这些电极。

16.如权利要求14或15所述的方法，其中所述定位的步骤包括以下步骤：将所述支撑元件朝向所述支撑结构弯曲。

17.如权利要求14或15所述的方法，其中所述定位的步骤排除以下步骤：将所述支撑元件连接到所述支撑结构。

18.如权利要求14或15所述的方法，其中所述定位的步骤包括以下步骤：将所述支撑元件仅连接到所述支撑结构的单个点。