CN113690121B - 电子束偏转装置、扫描电子显微镜以及电子束曝光机 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种电子束偏转装置、扫描电子显微镜以及电子束曝光机，所述电子束偏转装置包括：壳体，具有电子束的入射端和出射端，所述入射端和所述出射端限定了所述电子束的传输通道；偏转组件，位于在所述壳体内，且围绕所述传输通道设置；电子束通过孔，位于所述入射端，且与所述传输通道连通，用于限定进入所述传输通道的电子束的尺寸。本申请提出的电子束偏转装置，可以减少偏轴电子对电子束束斑尺寸的影响。

Description

电子束偏转装置、扫描电子显微镜以及电子束曝光机
技术领域
本申请涉及电子束装置技术领域，具体涉及一种电子束偏转装置、扫描电子显微镜以及电子束曝光机。
背景技术
电子束偏转装置用于实现电子束的偏转。电子束偏转装置广泛应用于扫描电子显微镜以及电子束曝光机等设备中。当入射到电子束偏转装置的电子束中存在偏轴电子时，电子束偏转装置对电子束进行偏转会导致出射的电子束的束斑尺寸增大，从而使具有电子束偏转装置的扫描电子显微镜或电子束曝光机等设备的分辨率降低。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种电子束偏转装置、扫描电子显微镜以及电子束曝光机，能够降低偏轴电子对电子束束斑尺寸的影响。
第一方面，本申请提供了一种电子束偏转装置，包括：壳体，具有电子束的入射端和出射端，所述入射端和所述出射端限定了所述电子束的传输通道；偏转组件，位于在所述壳体内，且围绕所述传输通道设置；电子束通过孔，位于所述入射端，且与所述传输通道连通，用于限定进入所述传输通道的电子束的尺寸。
在一个实施例中，所述电子束通过孔的直径d满足0.1mm≤d≤1mm。
在一个实施例中，所述壳体包括：调整圈，位于所述入射端，所述电子束通过孔位于所述调整圈上。
在一个实施例中，所述调整圈与所述壳体的主体可拆卸连接。
在一个实施例中，所述壳体包括：极靴帽，位于所述出射端，用于与极靴连接，所述极靴帽包括匹配斜面，所述匹配斜面具有与所述极靴相匹配的倾斜角。
在一个实施例中，所述偏转组件包括多个偏转电极，第一偏转电极为所述多个偏转电极中的任意一个，所述偏转装置还包括：绝缘体固定部，位于所述第一偏转电极与所述壳体之间，所述第一偏转电极通过所述绝缘体固定部与所述壳体的内表面固定。
在一个实施例中，所述绝缘体固定部包括相背的第一表面与第二表面，所述第一表面与所述第二表面均为弧面，所述第一表面与所述壳体接触，所述第二表面与所述第一偏转电极接触；其中，所述第一表面的曲率与所述壳体的内表面的曲率一致，所述第一偏转电极具有与所述绝缘体固定部接触的第三表面，所述第二表面的曲率与所述第三表面曲率一致。
在一个实施例中，所述第一偏转电极包括相背的第三表面和第四表面，所述第三表面与所述绝缘体固定部接触，所述第三表面和所述第四表面均为弧面，所述第三表面的角度小于所述第四表面的角度。
第二方面，本申请提供了一种扫描电子显微镜，所述扫描电子显微镜包括第一方面所述的电子束偏转装置。
第三方面，本申请提供了一种电子束曝光机，所述电子束曝光机包括第一方面所述的电子束偏转装置。
本申请在电子束偏转装置的壳体上设置电子束通过孔，该电子束通过孔可以将偏轴电子过滤，使偏轴电子无法进入电子束偏转装置。因此，该电子束偏转装置可以避免由于偏轴电子进入电子束偏转装置导致的出射电子束的束斑尺寸的增大，从而提高安装有电子束偏转装置的设备的分辨率。
附图说明
图1为扫描电子显微镜的示例图。
图2为本申请实施例提供的一种电子束偏转装置的示意图。
图3为图2所示的电子束偏转装置的俯视图。
图4为本申请实施例提供的一种极靴帽的示意图。
图5为图2所示的电子束偏转装置的内部示意图。
图6为本申请实施例提供的一种多偏转电极的分布示意图。
图7为本申请实施例提供的一种绝缘体固定部的俯视图。
图8为本申请实施例提供的一种第一偏转电极的俯视图。
图9为一种电子束偏转装置的电势等位线示意图。
图10为图2所示的电子束偏转装置的电势等位线示意图。
图11为图8所示的第一偏转电极的立体视图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
电子束偏转装置用于实现电子束的偏转。电子束偏转装置广泛应用于扫描电子显微镜以及电子束曝光机等设备中。
下面以扫描电子显微镜为例对电子束偏转装置进行介绍。
扫描电子显微镜是一种电子光学仪器，在材料、生物、物理、化学等领域发挥着重要的作用。扫描电子显微镜的原理为利用聚焦电子束在样品表面进行逐行扫描；电子束轰击样品表面产生二次电子或背散射电子；将样品表面产生的二次电子或背散射电子收集起来，并将样品表面电子束扫描的位置和产生的二次电子或背散射电子的数量用二维图像的形式表示，即得到扫描电子显微镜的二次电子图像或背散射电子图像。
图1为扫描电子显微镜100的示意图。扫描电子显微镜100可以包括：电子源 101、聚光镜102、孔径光阑103、消像散器104、物镜105以及电子束偏转装置106。
电子源101产生电子束E。电子源101可以包含任意类型的电子源。例如，电子源101可以包括钨灯丝枪系统或场发射枪系统等。电子束E通过加速后经过聚光镜102汇聚。聚光镜102既使电子束E汇聚又可用来调节电子束E的束流。电子束 E继续经过孔径光阑103以及消像散器104。接着，电子束偏转装置106对电子束 E进行偏转扫描。偏转后的电子束E由物镜105汇聚后到达样品。
电子束曝光机是高精密微纳加工与芯片制造的核心设备。电子束曝光机利用聚焦电子束，通过使用电子束偏转装置进行直写曝光，从而在晶片获得图形化结构。与扫描电子显微镜类似，电子束曝光机也包括电子源、电子束偏转装置、物镜等结构，下面不再赘述。
对于扫描电子显微镜或电子束曝光机等设备，电子束的束斑尺寸会影响这些设备的分辨率。如果束斑尺寸增大，扫描电子显微镜或电子束曝光机的分辨率会降低。
当入射到电子束偏转装置的电子束中存在偏轴电子(或称为杂散电子、散射电子等)时，电子束偏转装置对电子束进行偏转扫描会影响束斑尺寸。具体地，在电子束偏转装置的作用下，电子束主束中的电子(近轴电子)可以按照预期路径进行偏转，但是电子束中的偏轴电子却无法按照预期的路径进行偏转。这会导致出射的电子束的束斑的尺寸增大，从而导致扫描电子显微镜或电子束曝光机的分辨率降低。
本申请提出了一种电子束偏转装置，可以减少偏轴电子对电子束束斑尺寸的影响。
图2-图3为本申请实施例提供的一种电子束偏转装置200。图2为电子束偏转装置200的立体视图，图3为电子束偏转装置200的俯视图。
电子束偏转装置200包括壳体210。壳体210具有电子束的入射端和出射端，入射端和所述出射端限定了所述电子束的传输通道。电子束从入射端入射到电子束偏转装置200后，可以在电子束的传输通道中实现偏转扫描。以图2所示的电子束偏转装置200为例，电子束E的传输方向可以为图中箭头所示的方向，即电子束偏转装置200的顶部为入射端，电子束偏转装置200的下部为出射端。
需要说明的是，本申请不限制壳体210的具体形状，例如可以为图2所示的空心圆柱状。
电子束通过孔211位于入射端，电子束通过孔与传输通道连通如图1所示，电子束通过孔211位于壳体210顶部的电子束入射端，图2所示的俯视图可以更为清晰地显示电子束通过孔211位于入射端。
电子束通过孔211用于限定进入电子束传输通道的电子束的尺寸。可以通过调节电子束通过孔211的尺寸，使得进入电子束传输通道的电子束中的电子大多为近轴电子。因此，电子束通过孔211可以使近轴电子进入电子束偏转装置200的传输通道中。偏轴电子则可以被电子束通过孔211周围的壳体过滤掉，使得尽可能少的偏轴电子进入到电子束偏转装置200中。
本申请通过在电子束偏转装置的壳体入射端设置电子束通过孔，可以将偏轴电子过滤，使偏轴电子无法进入电子束偏转装置。这避免了由于偏轴电子进入电子束偏转装置导致的出射电子束的束斑尺寸的增大，从而提高了安装有电子束偏转装置的设备的分辨率。
本申请不限制电子束通过孔211的直径d的尺寸。一方面，如果d过大，较多的偏轴电子会通过电子束通过孔，从而导致电子束偏转装置无法有效地过滤偏轴电子。另一方面，如果d过小，会存在较多电子束主束的近轴电子无法通过电子束通过孔的情况，从而导致电子束无法有效地进入电子束偏转装置。可选地，本申请提出电子束通过孔的直径d可以满足0.1mm≤d≤1mm。这样的尺寸设置可以使电子束主束进入电子束偏转装置，也可以过滤偏轴电子。
可选地，如图2所示，电子束通过孔211可以位于壳体的入射端的中央，从而使入射到电子束偏转装置200的电子与壳体内的偏转组件具有同轴性，进而提高电子束偏转装置200偏转电子的准确性。
壳体210可以是一体的，也可以包括多个组成部分。电子束通过孔211可以位于壳体的任一部分，本申请对此不作限制。例如，如图2所示，壳体210可以包括调整圈214，调整圈214位于壳体的电子束入射端，电子束通过孔211可以位于调整圈214上。
可选地，电子束偏转装置200可以适配不同的调整圈，不同的调整圈包括不同直径的电子束通过孔。因此，可以根据实际需要，通过调整电子束偏转装置200的电子束通过孔的尺寸，调整进入电子束传输通道的电子束的尺寸。
可以理解的是，调整圈214可以与壳体的主体可拆卸连接，以便更换具有不同调整圈。不同的调整圈可以具有不同尺寸的电子束通过孔。
为了便于更换调整圈214，调整圈214可以设置夹取位215。夹取装置可以通过夹取位215拆卸或安装调整圈214。本申请不限制夹取位的结构或尺寸，可根据夹取装置等实际情况选择。例如，夹取位215可以为如图2所示的两个孔，夹取装置可以插入两个孔，从而实现对调整圈214的夹持。
本申请提出可以通过调整圈改变电子束通过孔的直径。这避免了改变电子束通过孔的直径时需要整体更换电子束偏转装置的情况，提高了装置的灵活度以及使用的便捷性。
如图2所示，除了调整圈214，壳体210还可以包括端帽212、骨架部213或通气孔216等结构。
端帽212与壳体210的主体部分可拆卸连接。电子束偏转装置200实际工作过程中，端帽212可以与壳体210的主体部分连接。当需要更换电子束偏转装置200 内部的零件或组件时，可以将端帽212拆卸。
骨架部213用于为电子束偏转装置200内部的组件(例如偏转组件)提供支撑作用。
通气孔216用于为空气提供流通通道。由上文可知，电子束偏转装置200常用于扫描电子显微镜和电子束曝光机等设备，这些设备均要求在真空环境下进行工作。因此，这些设备需要在进行扫描前，对样品室抽真空。在抽真空的过程中，通气孔216可以为空气提供流通通道，从而提高了抽真空的效率。可选地，通气孔216 可以位于壳体210的入射端。以扫描电子显微镜为例，抽真空装置通常位于扫描电子显微镜的物镜的下部，即位于电子束偏转装置200下方。由于电子束偏转装置200 的遮挡，电子束偏转装置200上方的空气难以被抽走，通过在壳体210的入射端设置通气孔216，即可使电子束偏转装置200上方的空气通过通气孔216被更快速地抽走。
在电子束偏转装置200的实际工作中，电子束偏转装置200将电子束偏转后，通过物镜汇聚后达到样本，实现扫描。电子束偏转装置200的偏转中心与物镜的极靴(极靴例如图1所示的107部分)如果不在同一轴线上，会加剧像差的产生。
针对该问题，本申请提出，壳体210可以包括极靴帽217。极靴帽217位于电子束出射端，用于与极靴连接。图4为极靴帽217的立体视图，极靴帽217包括匹配斜面2171，匹配斜面2171的倾斜角的角度与电子束偏转装置200连接的极靴的倾斜角相匹配。
极靴帽的匹配斜面2171的倾角与极靴的倾斜面的倾角相匹配，可以使得电子束偏转装置200的出射端与极靴准确定位，从而可以便捷地将电子偏转装置200的偏转中心与极靴设置在同一轴线上，进而避免产生像差。
可以理解的是，极靴帽217的尺寸可以根据与之连接的极靴的尺寸灵活调整。
可选地，极靴帽217可以与电子束偏转装置200的主体可拆卸连接。或者，极靴帽217可以与壳体210的主体可拆卸连接。
可选地，极靴帽217可以为如图4所示的截顶圆锥状，匹配斜面2171可以为截顶圆锥的倾斜面。这种结构的极靴帽217加工简单，与现有的极靴形状相匹配。
上文结合图1～图4说明了本申请提出的电子束偏转装置的外部结构，下面将结合图5～图11说明电子束偏转装置的内部结构。
壳体内部可以容纳用于电子束实现偏转扫描的偏转组件，偏转组件可以围绕壳体内的电子束的传输通道设置。不同类型的电子束偏转装置对应不同的偏转组件，本申请不限制电子束偏转装置的类型，也不限制这些组件的具体类型。电子束偏转装置的类型例如可以为静电偏转、电磁偏转或静电偏转与电磁偏转结合。基于静电偏转的电子束偏转装置可以包括偏转电极；基于电磁偏转的电子束偏转装置可以包括扫描线圈；基于静电偏转与电磁偏转结合的电子束偏转装置则既可以包括偏转电极也可以包括扫描线圈。
不同类型的电子束偏转装置具有不同的特点。例如，在半导体检测等领域，通常需要分辨率高且扫描速度高的扫描电子显微镜。其中，扫描电子显微镜的扫描速度取决于电子束偏转装置的偏转速度。普通的电磁偏转由于磁滞效应，扫描速度通常小于10M/s。与电磁偏转相比较，静电偏转可以实现高速扫描。或者，可以通过静电偏转与电磁偏转相结合的方式进行电子束偏转。具体地，可以将电磁偏转作为主场，将静电偏转作为子场，子场提供快速扫描功能，而主场提供定位功能。以电子束曝光机为例，为实现快速曝光，可以用静电偏转或者用静电偏转与电磁偏转相结合的方式进行电子束偏转直写曝光。
可选地，如图5所示，以电子束偏转装置200为基于静电偏转的电子束偏转装置为例进行说明。为更加直观地展现电子束偏转装置200的内部结构，图5为去除壳体的入射端的电子束偏转装置200的俯视图。电子束偏转装置200包括：壳体210、第一偏转电极220以及绝缘体固定部230。
对于壳体210的介绍参见上文，此处不再赘述。
第一偏转电极220用于产生静电场，通过控制静电场，可以控制电子束在静电场中的偏转情况。
为了实现对电子束偏转装置200内部的静电场的精准控制，可以设置多个偏转电极，其中，第一偏转电极220为多个偏转电极中的任意一个。本申请不限制多个偏转电极的具体数目，例如偏转电极数目可以为4个、6个、8个或12个等，对应的电子束偏转装置200可以实现四极、六极、八极或十二极静电偏转。
本申请不限制多个偏转电极的分布情况。可选地，为了保持电场的均匀分布，多个偏转电极可以沿壳体210的内的电子束传输通道周围均匀分布。
可选地，可以在壳体210内部设置多套偏转电极，每套偏转电极均可以包括多个偏转电极。多套偏转电极的设置使得电子束可以偏转回物镜中心，以减小电子束的像差与畸变。例如可以设置上下两套偏转电极，分别为上偏转电极和下偏转电极，其中电子束轨迹先经过上偏转电极偏转到一个方向，而后经过下偏转电极偏转到相反方向，并通过物镜汇聚中心，从而保持较小的畸变与像差。
以图5所示的电子束偏转装置200为例，电子束偏转装置200包括上下两套偏转电极，每套偏转电极包括8个偏转电极，即电子束偏转装置为八级静电偏转装置。 8个偏转电极在壳体内的分布情况如图5所示。图5所示的8个偏转电极以A、B、 C、D、E、F、G以及H表示，图6表示了A、B、C、D、E、F、G以及H所对应偏转电极的位置。
表1
Figure GDA0003495295650000081
当偏转电极用于如图6所示的x向，y向扫描时，上下八极静电偏转板施加电压如表1所示。其中，Vx表示x向施加的电压，Vy表示y向施加的电压。
第一偏转电极220可以通过绝缘体固定部230与壳体210的内表面固定。
本申请对绝缘体固定部230的具体结构不做限制。可选地，绝缘体固定部230 的结构可以如图7所示。图7为绝缘体固定部230的俯视图。绝缘体固定部230包括相背的第一表面231和第二表面232。第一表面231和第二表面232均可以为弧面。其中，第一表面231可以与壳体210的内表面接触或固定，第二表面232可以与第一偏转电极220接触或固定。第一表面231的曲率与壳体与第一表面接触的内表面曲率一直，第二表面232的曲率与第一偏转电极220与绝缘体固定部230接触的表面曲率一致。由图5可以看出，绝缘体固定部230的这种结构可以使得多个偏转电极在壳体内具有同轴性，从而避免多个偏转电极不同轴导致的电场分布异常。
本申请对第一偏转电极220的具体结构不做限制。可选地，第一偏转电极220 的结构可以如图8所示。图8为第一偏转电极220的俯视图。如图8所示，第一偏转电极包括第三表面221以及第四表面222。其中，第三表面221可以与绝缘体固定部230接触或固定。由上文可知，第三表面221可以与绝缘体固定部230的第二表面232接触或固定。可选地，第三表面221和第四表面222均可以为弧面，第三表面221的曲率可以与第二表面232的曲率一致，以保持多个偏转电极的同轴性。
可选地，如图8所示，第三表面221对应的角度为α，第四表面对应的角度为β，α<β。当存在多个偏转电极时，多个偏转电极的结构可以与第一偏转电极220 保持一致。这使得多个偏转电极沿壳体内周排布时，多个偏转电极之间存在较大的空隙，从而增大了偏转电极与偏转电极之间的可操作空间，例如可以在这些空隙之间设置其他的元器件，进而可以节省电子束偏转装置200整体占用的空间。
本申请在增加偏转电极之间的可操作空间的同时，也可以提供较好的电子束偏转效果。下面以图9～图10为例进行说明。
图9为一种电子束偏转装置900的电势等位线示意图。图9是通过软件仿真计算得到的。电子束偏转装置900包括：壳体910以及8个偏转电极920。偏转电极 920的两个弧面对应角度相等。图9中的灰色曲线表示在壳体910内的电势等位线。
图10为本申请提供的电子束偏转装置200的电势等位线示意图。图10是通过软件仿真计算得到的。其中，第一偏转电极220的α<β。图10中的灰色曲线表示在壳体210内的电势等位线。
结合图9和图10可以看出，在电极围绕的区域内，图9所示的电势等位线和图10所示的电势等位线分布几乎相同。由此可知，电子束偏转装置200与图9所示的电子束偏转装置900的偏转效果相同。因此，本申请提出可以在维持较好的偏转效果的基础上，增加偏转电极之间的可操作空间。
可选地，第一偏转电极220的第五表面223和第六表面224可以平行设置。这种结构的第一偏转电极220加工简单，并且可以使多个偏转电极间保持较大的间隙。
图11为图8所示的第一偏转电极220的立体视图。第一偏转电极220的第六表面224与相邻偏转电极之间存在间隙，因此，可以在第六表面224附近设置元器件，例如可以在第六表面224上焊接引线。或者，可以在第六表面224上设置引线槽225，从而引出偏转电极线。为了尽可能地减少偏转电极线对第一偏转电极220 产生的电场的影响，可以将偏转电极线设置在靠近壳体的位置。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电子束偏转装置，其特征在于，包括：
壳体，具有电子束的入射端和出射端，所述入射端和所述出射端限定了所述电子束的传输通道；
偏转组件，位于在所述壳体内，且围绕所述传输通道设置；
电子束通过孔，位于所述入射端，且与所述传输通道连通，用于限定进入所述传输通道的电子束的尺寸；
其中，所述壳体包括：极靴帽，位于所述出射端，用于与极靴连接，所述极靴帽包括匹配斜面，所述匹配斜面具有与所述极靴相匹配的倾斜角。
2.根据权利要求1所述的偏转装置，其特征在于，所述电子束通过孔的直径d满足0.1mm≤d≤1mm。
3.根据权利要求1所述的偏转装置，其特征在于，所述壳体包括：
调整圈，位于所述入射端，所述电子束通过孔位于所述调整圈上。
4.根据权利要求3所述的偏转装置，其特征在于，所述调整圈与所述壳体的主体可拆卸连接。
5.根据权利要求1所述的偏转装置，其特征在于，所述偏转组件包括多个偏转电极，第一偏转电极为所述多个偏转电极中的任意一个，所述偏转装置还包括：
绝缘体固定部，位于所述第一偏转电极与所述壳体之间，所述第一偏转电极通过所述绝缘体固定部与所述壳体的内表面固定。
6.根据权利要求5所述的偏转装置，其特征在于，所述绝缘体固定部包括相背的第一表面与第二表面，所述第一表面与所述第二表面均为弧面，所述第一表面与所述壳体接触，所述第二表面与所述第一偏转电极接触；
其中，所述第一表面的曲率与所述壳体的内表面的曲率一致，所述第一偏转电极具有与所述绝缘体固定部接触的第三表面，所述第二表面的曲率与所述第三表面曲率一致。
7.根据权利要求5所述的偏转装置，其特征在于，所述第一偏转电极包括相背的第三表面和第四表面，所述第三表面与所述绝缘体固定部接触，所述第三表面和所述第四表面均为弧面，所述第三表面的角度小于所述第四表面的角度。
8.一种扫描电子显微镜，其特征在于，包括权利要求1-7中任意一项所述的电子束偏转装置。
9.一种电子束曝光机，其特征在于，包括权利要求1-7中任意一项所述的电子束偏转装置。
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