CN113939892B - 用于单独粒子束方位角偏转的粒子束系统及粒子束系统中的方位角校正方法 - Google Patents

用于单独粒子束方位角偏转的粒子束系统及粒子束系统中的方位角校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明说明揭露具有多束粒子源的粒子束系统，其配置成产生多个带电单独粒子束，并且具有用于在方位角方向上偏转单独粒子束的磁多偏转器阵列。磁多偏转器阵列在此包括具有多个开口的磁导多孔径板，其排列在粒子束的光束路径中，使得单独粒子束实质地穿过多孔径板的开口。该磁多偏转器阵列额外包括具有单独开口的磁导孔径板，其排列在粒子束的光路中，使得单独粒子束实质地穿过第一孔径板。此外，多孔径板和第一孔径板彼此连接，使得两个板之间形成一空腔。用于产生磁场的第一线圈排列在第一孔径板和多孔径板之间的空腔中，使得多个单独粒子束实质地穿过线圈。

Description

用于单独粒子束方位角偏转的粒子束系统及粒子束系统中的 方位角校正方法
技术领域
本发明关于操作以多个粒子束操作的粒子束系统。
背景技术
就如同单个光束粒子显微镜，多光束粒子显微镜可以用来分析微观尺度的物体。例如，呈现物体表面的物体的图像可以用这些粒子显微镜记录。以这种方式可以，举例来说，分析表面的结构。在单个光束粒子显微镜中，使用带电粒子，如电子、正电子、μ介子或离子的单独粒子束来分析物体，在多光束粒子显微镜中，为此目的，使用了多个粒子束。多个粒子束(也称为束(bundle))同时指向物体表面，结果，与单个光束粒子显微镜相比，在同一时间段内可以扫描和分析明显更大的物体表面面积。
WO 2005/024 881 A2揭露一种电子显微镜系统形式的多粒子束系统，其以多个电子束进行操作，以便使用一束平行的电子束扫描待检查的物体。该束电子束是由被引导到具有多个开口的多孔径板的电子源所产生的电子束所产生的。电子束的一部分电子入射到多孔径板并在那被吸收，而电子束的另一部分穿过多孔径板中的开口，使得电子束在每个开口下游的光束路径中成型，所述电子束的截面由开口的截面限定。此外，多孔径板上游和/或下游的光束路径中所提供的适当选择的电场具有以下效应：多孔径板中的每个开口对通过该开口的电子束充当透镜，使得电子束聚焦在距离多孔径板一定距离的平面上。通过一下游光学单元将形成电子束的焦点的平面成像到待检查物体表面上，使得单独电子束作为初级光束以聚焦方式入射到物体上。它们在那产生从物体发射出的相互作用产物，如反向散射电子或次级电子，其被成形以形成次级光束并通过另一个光学单元将其引导到检测器上。在那每个次级光束皆入射到单独检测器元件上，使得由所述检测器元件检测到的电子强度在相应的初级光束入射到物体上的位置处提供与物体有关的信息。该束初级光束在物体表面上被系统地扫描以便以扫描电子显微镜惯常的方式产生物体的电子显微照片。
在所描述的多个粒子束系统中，高分辨率和高产出量在实践中与令人满意和成功使用有高度相关。特别是，大幅减少不同类型的成像像差的发生是被期待的。
通常，希望在粒子束系统内将粒子束远心入射在待检查物体上。然后，该单独粒子束分别正交入射在样品上。此优点在于即便是结构很大的物体，也可达到高品质的记录。
然而，正是远心条件在物体位于磁场内的情况下有时很难实现。在实践中，例如若将磁浸透镜作为物镜使用，使得在成像平面发生一通常大于20mT的磁场强度，则会遇到上述问题。角度偏差或方位角偏差则具有特殊意义。因此，相应地校正方位角偏差是被期待的。
US 2003/0183773 A1揭露了原则上可用于方位角偏转的磁场产生装置。为此目的提出一种电磁线圈阵列，其中在相对于粒子束的运动方向正交的方向上产生磁场的一个或多个线圈排列在阵列中的开口内的壁上。使用不均匀的四极场，原则上可以校正像散，且原则上也可有单独粒子束的方位角偏转。然而，带有电磁线圈阵列的所提磁场产生装置，因为需要许多线路和绝缘措施而难以生产。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种粒子束系统，其允许对所有单独粒子束轻易且独立地设定粒子束系统中的方位角。
该目标通过独立专利权利要求的主题实现。可从附属专利权利要求中明显看出本发明的有利实施例。
本专利申请案主张德国专利申请案10 2019 004 124.0的优先权，其全部揭露内容通过引用结合在本专利申请案中。
发明人已研究了磁场中方位角偏转的出现，并在这方面进行了广泛的计算和模拟。发现的其中一件事情是，磁浸透镜中的径向和方位角远心误差基本上与单独粒子束与光轴的距离成比例。因此，一合理的校正应能相应地补偿此类型的误差。
本发明的结果是一种简单而巧妙的可能性，即以很少或仅使用一个参数来进行期待的方位角偏转，但仍是以各自适合于每个单独粒子束的方式。根据本发明的第一实施例，这是通过磁场的特定场成形来实现，通过其，粒子束的带电粒子进入一几乎突然变化的磁场或离开一几乎突然减小的磁场。为了示意性地解释，由于进入突然变化的磁场，所以广义角动量的磁分量照旧突然变化。对比之下，在离开磁场时，所述磁分量再次为零且因守恒定律转换成一动能角动量。换句话说，带电粒子在进入磁场时的动能角动量不同于在离开磁场时的动量角动量。动能角动量的此变化对应于方位角的偏转。
根据本发明的第一方面，后者与包括以下内容的一种粒子束系统相关：
配置成产生多个带电的单独粒子束的多束粒子源；以及
用于在方位角方向偏转单独粒子束的磁多偏转器阵列，包括：
具有多个开口的磁导多孔径板，其排列在粒子束的光束路径中，使得单独粒子束中的不同粒子束实质地穿过多孔径板中的不同开口；
具有单独开口的磁导第一孔径板，该第一孔径板排列在粒子束的光束路径中，使得多个单独粒子束实质地穿过第一孔径板中的单独开口；
其中多孔径板和第一孔径板彼此连接，使得一空腔在两个板之间形成；以及
用于产生磁场的第一线圈，该线圈排列在多孔径板和第一孔径板之间的空腔中，使得多个单独粒子束实质地穿过线圈。
根据本发明，提供了至少一个粒子源，但也可提供多个粒子源。该带电粒子可以是例如电子，正电子，μ介子或离子或其他的带电粒子。带电粒子较佳是使用如热场发射源(TFE)产生的电子。然而，也可以使用其他粒子源。
本发明的核心是用于使单独粒子束在方位角方向上偏转的磁多偏转器阵列。这使前述的特定场得以成形。在此情况中，磁导多孔径板和磁导第一孔径板可原则上被理解为一磁透镜的上下极靴，这允许线圈或缠绕的磁场线以一限定形状离开或分配它们。根据一较佳的实施例变型，多孔径板中的多个开口和第一孔径板中的单独较大开口实质上代表极靴中的唯一开口。这代表除了多孔径板中的开口和第一孔径板中的单独开口外，在多孔径板和第一孔径板之间形成的空腔是完全关闭的。线圈位于空腔的内侧壁上。所有单独粒子束都穿过线圈的缠绕。在第一孔径板内的单独较大开口的区域中，标量磁场强度实质上相对于系统的光轴旋转地对称。在多孔径板中用于单独粒子束的微小开口区域则不是这种情况：在此，开口区域中的旋转对称性被破坏，且当带电粒子穿过开口时，会发生磁场强度或磁通量的突然变化。
根据本发明的替代实施例变型，多孔径板和第一孔径板彼此电绝缘。于是，在两个板之间形成的空腔实际上没有被完全关闭，而是可以具有例如环绕的间隙。换句话说，多偏转器阵列的上极靴和下极靴彼此绝缘，然后，除磁场外，也可通过对两板或极靴施加不同的电压来产生电场。这样产生的电场起多透镜阵列的作用。
根据本发明较佳的实施例，多孔径板排列在第一孔径板上游的带电粒子的光束路径中。在此情况下，带电粒子在进入磁多偏转器阵列时发生磁通量的跳跃。
根据本发明的替代实施例，多孔径板排列在第一孔径板下游的单独粒子束的光束路径中。在此情况下，所述的跳跃在离开磁多偏转器阵列时发生。
根据本发明的另一较佳实施例变型，多偏转器阵列进一步包括以下：
具有单独开口的磁导第二孔径板，该第二孔径板排列在粒子的光束路径中，使得多个单独粒子束实质地穿过第二孔径板中的单独开口；
其中，该多孔径板和第二孔径板相互连接，使得一第二空腔在两个板之间形成；以及
用于产生磁场的第二线圈，该线圈排列在多孔径板和第二孔径板之间的第二空腔中，使得多个单独粒子束实质地穿过第二线圈，
其中第二线圈的缠绕方向与第一线圈的缠绕方向相反。
在本发明的该实施例变型中，磁多偏转器阵列实质上经历对称化。多孔径板现在位于多偏转器阵列内的中央，因此较小的力现在作用在多孔径板上。经对称化的多偏转器阵列的设计因此具有建设性的优势。然而，如前所述，单独粒子束所经历的磁通量的突然变化仍然在通过多孔径板时发生。另外，重要的是，两个线圈的缠绕方向彼此相反，以便使期待的磁场成形。在此，分别在技术电流的方向上指示出线圈的缠绕方向。因此，反转线圈中的电流方向(而不必对缠绕进行结构性改变)也对应于缠绕方向的反转。此外，多偏转器阵列的上部可在构造上绝对等于多偏转器阵列的下部区域。
根据本发明的一个较佳实施例，多偏转器阵列的至少一个板和/或多偏转器阵列的板的至少一个磁导涂层的磁导率μr为：μr≥500，特别是μr≥2000、μr≥5000和/或μr≥10000。这种高磁导率允许多偏转器阵列中的磁场良好成形。多偏转器阵列的所有板和/或板的所有磁导涂层较佳地具有尽可能高的磁导率μr。对于多孔径板以及第一且有可能第二孔径板都是如此。另外，优选地，这对于多偏转器阵列的壁区域或对于多孔径板与一个单个孔径板或多个孔径板之间的连接件也同样适用。
根据本发明的较佳实施例，多偏转器阵列的至少一个板包括以下材料中的至少一种：铁、镍、钴、铁氧体、mu-金属、纳米晶体金属。这些材料具有很高的磁导率μr。该材料也可以采取板的涂层的形式。
根据本发明的另一较佳实施例，多偏转器阵列的至少一个磁板或磁导涂层的厚度为至少30μm。为了磁通量，薄层或板有较低传导率，特别是因为对于小的磁场强度已达到磁饱和。因此，使用较大一些的板厚度较佳。可替代的，可以用例如由硅制成的非磁性载体板，然后在其上以相应的厚度施加导磁层。对于多偏转器阵列中所需的磁场强度，通常不再从30μm的板厚度或层厚度达到磁饱和。
根据本发明的较佳实施例，多孔径板和/或孔径板中的开口是圆形的。单独粒子束穿过的所有开口较佳为圆形。因此，这不仅适用于多孔径板中的开口，也适用于第一孔径板中的单独开口以及第二孔径板中的开口(若后者有提供的话)。开口的几何形状对磁场成形有影响。圆形开口让所需的场形最佳地实现。
根据本发明的较佳实施例，多孔径板中的开口的直径d为：d≤150μm，特别是d≤50μm和/或d≤10μm。
原则上，为使各单独粒子束穿过各个开口而不发生碰撞，开口直径d必须足够大。因此，单独粒子束本身不由多孔径板成形，但是多个单独粒子束已经预先成形。相反的，开口的所选直径d越小，则取得的磁场局部突然变化就越好。因此同样有利的是将多孔径板定位在中间图像中，因为此处单独粒子束的束截面最小，因而多孔径板中开口的直径可有较小设计，而不会明显缩减粒子束。
根据本发明的另一实施例，在多孔径板中的开口的排列是六边形的。这代表着单独粒子束按照六边形结构排列，例如具有61或91个单独粒子束(根据通式3n(n-1)+1，n为自然数)，且该排列之后在几何上也被提供在多孔径板中。
在一个实施例中，在六边形排列的情况下，粒子束系统的光轴也可在中心穿过多孔径板中的开口之一。由于几何的因素这对于光束校正是有利的。
此外，在一个实施例中，粒子束系统的光轴可以在中心穿过第一孔径板中的单独开口。若还提供第二孔径板，如上所述，则较佳为粒子束系统的光轴同样地中心地延伸穿过第二孔径板中的单独开口。
根据本发明的另一较佳实施例，由至少一个线圈产生的磁场的强度是可设定的，和/或磁场强度B为：B≤0.1mT，B≤1.0mT和/或B≤5mT。特别是，可以改变流过线圈的电流，使得在0到0.1mT，0到1mT或0到5mT间隔内的任何磁场强度是可设定的。如果仅存在一个线圈，则磁场仅由那一个线圈的磁场决定。若存在两个线圈，第一孔径板和第二孔径板二者因此存在，则通过两个线圈来设定磁场。在此情况下，流过两个线圈的电流最好相同，结果是使各个磁场具有相同的大小但彼此取向相反。线圈产生的电流或磁场的可设定性具有可目标性地设定期望方位角偏转的结果。这里的强磁场意味着较强的方位角偏转，而弱磁场则意味着较弱的方位角偏转。应为可设置的典型方位角偏转角β为：0≤β≤0.1mrad，0≤β≤1mrad和/或0≤β≤5mrad。
根据本发明的另一较佳实施例，粒子束系统还包括以下内容：
适配于在多孔径板的开口附近局部地单独设置磁场的多线圈阵列，
其中多线圈阵列排列在磁多偏转器阵列的空腔的外部，使得单独粒子束穿过多线圈阵列的线圈。例如，多线圈阵列可以排列在多孔径板上的外侧。重要的是，此处的线圈不位于多孔径板内或开口内，而是实际上位于多孔径板外或多偏转器阵列外。以此方式，在单独粒子束进入和/或离开多偏转器阵列时不会发生损害。反而多线圈阵列，若必需时，允许对方位角偏转进行单独后调整(前调整)或后校正(前校正)。原则上，在多偏转器阵列中继续进行方位角偏转；多线圈阵列仅用于每个单独粒子束的方位角偏转的任何潜在微调。也可因此分别设置多线圈阵列的单独线圈的磁场强度。
根据本发明的第二方面，后者涉及一种包括以下内容的粒子束系统：
多束粒子源配置成产生多个带电的单独粒子束；以及
用于使单独粒子束在方位角方向上偏转的方位角偏转器，包括用于产生时变磁场的装置，该时变磁场进而在方位角方向上产生电涡流场。因此本发明的第二实施例变型再次基于使单独粒子束在方位角方向上偏转的场可能是以非常有目标的方式所产生的事实。在该实施例变型中，这是以电涡流场的形式存在并且由磁场的时间变化所产生的电场。
用于产生时变磁场的装置较佳包括具有与粒子束系统的光轴重合的轴线的线圈，且其排列使得单独粒子束穿过线圈。线圈的缠绕因此包围了粒子束系统的所有单独粒子束。
可通过磁场的时间变化来设定沿方位角方向的电涡流场强度。若时间变化是恒定的，则可产生恒定的电涡流场。从实践方面来看，磁场的时间变化不能无限地持续下去，相反，实际上，磁场将在某个时点达到其最大强度。因此，根据本发明的较佳实施例，使磁场的时间变化适应粒子束系统的扫描间隔是合理的。这使得单独粒子束可以在每个扫描过程中都遇到相同的电涡流场。
本发明的第三方面涉及实施例变型中的粒子束系统的用途，如上所述，即位于磁场中样本上单独粒子束的远心校正。在这种情况下，单独粒子束可以个别地关于其方位角偏差进行校正。特别是，在使用磁浸透镜作为物镜的情况下，所述用途涉及远心校正，也就是说，在这种情况下，由于样品区域中的磁场，单独粒子束不会正交地而是以特定角度入射到样品上。可以用所述粒子束系统通过在方位角方向上相应的偏转来校正单独粒子束的此种旋转或倾斜。
根据本发明的另一面向，后者涉及一种用于粒子束系统中方位角校正的方法，特别但不仅于此的是，通过在一些实施例变型中使用如上所述的粒子束系统，所述方法包括以下步骤：
多个带电粒子束撞击样品；
确定单独粒子束在样品上的入射角；
确定入射角与预定入射角之间的偏差；
将偏差分为径向和方位角分量；
通过电和/或磁偏转场校正单独粒子束的偏差的方位角分量。
为了确定单独粒子束的入射角(例如在射束导向相同的情况下可以记录至少两个图像)，在平台的不同Z位置(即在物体与粒子束系统的物镜的不同距离处)。可以将两个图像相互比较，并且可以根据在比较期间观察到的图像内容的位移来计算入射角。
为了确定偏差并将相应的偏差分为径向分量和方位角分量，并随后校正偏差的方位角分量，使用一计算机程序。分为径向分量和方位角分量相当重要，因为可以使用不同的偏转器或校正器来相应地校正两个偏差。与定义或期望的最佳入射角的偏差的方位角分量可以特别地通过上述根据本发明的粒子束系统来校正。然而，原则上也可以将现有技术中已知的其他粒子束系统用于根据本发明的方法。
较佳的是，除了方位角分量外，单独粒子束的偏差的径向分量也通过电和/或磁偏转场来校正。较佳的是，径向校正是通过除方位角校正外的其他校正装置或偏转器来执行。可以使用例如旋转对称的磁透镜来实现径向校正，其作用于所有单独束。可替代地，可以利用静电多偏转器阵列个别地径向偏转单独束。
较佳的是，校正方位角分量包括计算磁多偏转器阵列的激发以及产生所计算的激发。换句话说，为了产生期望的方位角偏转，要查明哪个电流必须流过多偏转器阵列中的第一和/或第二线圈。可替代地，校正方位角分量包括计算方位角偏转器中的时间磁场变化并产生计算的磁场变化。
根据另一较佳实施例变型，校正径向分量包括计算用于径向校正的电磁透镜的激发并产生所计算的激发。
根据另一较佳实施例变型，预定的入射角对应于物体的远心照明。为了获得最佳的图像结果，远心照明或远心照射是被期望的，特别是在高度结构化物体的情况下。
可替代地，预定的入射角对应于通过物镜的无彗差点的照明或照射。在此情况下，发生的像差明显更少。
只要结果不导致技术上的矛盾，本发明的上述示例性实施例可以全部或部分地彼此组合。
附图说明
参考附图将更好地理解本发明。在图中：
图1在示意图中显示了多束粒子显微镜；
图2显示出通过磁多偏转器阵列的示意性截面图；
图3显示出磁标量势的示意图；
图4示意性地显示单独粒子束的径向和方位角偏转；
图5显示出穿过另一磁多偏转器阵列的示意性截面图；
图6显示出穿过具有两个孔径板的磁多偏转器阵列的示意性截面图；
图7显示出穿过具有附加的多线圈阵列的磁多偏转器阵列的示意性截面图；
图8显示出基于电涡流场的方位角偏转器的示意图；
图9显示出来自图8的方位角偏转器的平面图；
图10显示出在多束粒子显微镜中磁多偏转器阵列的定位的示意图；
图11显示出用于方位角校正的方法的流程图。
具体实施方式
图1是多束粒子显微镜1形式、使用多个粒子束的粒子束系统1的示意图。粒子束系统1产生多个粒子束，其撞击在待检查的物体上，以便在那产生相互作用产物，例如从物体发出并随后被检测到的次级电子。粒子束系统1是扫描电子显微镜(SEM)类型的，其使用多个初级粒子束3，其在多个位置5撞击到物体7的表面上并在那产生多个电子束点，或在空间上彼此分开的点。待检查的物体7可以是任何想要的类型(例如半导体晶片或生物样品)并且包括微型元件等的排列。物体7的表面排列在物镜系统100的物镜102的第一平面101(物平面)中。
图1中的放大细节I1显示出一具有在第一平面101中形成的入射位置5的正矩形场103的物平面101平面图。在图1中，入射位置的数目是25，其形成一5×5场103。入射位置的数目25是出于简化图示的原因而选择的数目。实际上，光束的数量以及相应地入射位置的数量可选为更大，即，例如20×30、100×100等。
在所描述的实施例中，入射位置5的场103是在相邻入射位置之间具有固定距离P1的实质正矩形场。距离P1的示例性值为1微米，10微米和40微米。然而，场103也可以具有其他对称性，举例来说，如六边形对称性。
在第一平面101中成形的光束点的直径可以较小。所述直径的示例性值为1纳米、5纳米、10纳米、100纳米和200纳米。通过物镜系统100对用于使光束点5成形的粒子束3进行聚焦。
入射在物体上的初级粒子产生相互作用产物，例如次级电子、反向散射电子或由于其他原因经历了运动反转的初级粒子，其从物体7的表面或从第一平面101发出。从物镜7的表面发出的相互作用产物被物镜102成形以形成次级粒子束9。粒子束系统1提供了粒子束路径11，用于将多个次级粒子束9引导到检测器系统200。检测器系统200包括用于将次级粒子束9引导到粒子多检测器209上的具有投射透镜205的粒子光学单元。
图1中的细节I2显示出平面211的平面图，粒子多重检测器209(其上，次级粒子束9入射在位置213)的各个检测区域位于其中。入射位置213位于相对于彼此具有规则距离P2的场217中。距离P2的示例值为10微米、100微米和200微米。
初级粒子束3在包括至少一个粒子源301(例如，电子源)、至少一个准直透镜303、多孔径装置305和场镜307的光束产生装置300中产生。粒子源301产生发散的粒子束309，其由准直透镜303准直或至少基本上准直，以形成照亮多孔径装置305的光束311。
图1中的细节I3显示出多孔径装置305的平面图。多孔径装置305包括多孔径板313，其具有形成在其中的多个开口或孔315。开口315的中点317排列在场319中，其成像到由物平面101中的光束点5形成的场103上。孔315的中点317之间的距离P3可具有5微米、100微米和200微米的示例值。孔315的直径D小于孔的中点之间的距离P3。直径D数值的例子是0.2×P3、0.4×P3和0.8×P3。
照明粒子束311的粒子穿过孔315并形成粒子束3。入射在板313上的照明光束311的粒子被板吸收且对粒子束3的形成没有贡献。
由于所施加的静电场，多孔径装置305以使光束焦点323在平面325中形成的方式聚焦每个粒子束3。可替代地，光束焦点323可以是虚拟的。光束焦点323的直径可以是例如10纳米，100纳米和1微米。
场镜307和物镜102提供用于将平面325成像在第一平面101上的第一成像粒子光学单元，在平面325中形成光束焦点323，使得入射位置5或光束点的场103在第一平面处产生。若物体7的表面排列在第一平面中，则光束点会相应地形成在物体表面上。
物镜102和投射透镜装置205提供用于将第一平面101成像到检测平面211上的第二成像粒子光学单元。因此，物镜102是作为第一和第二粒子光学单元两者一部分的透镜，而场镜307仅属于第一粒子光学单元，而投射透镜205仅属于第二粒子光学单元。
在多孔径装置305和物镜系统100之间的第一粒子光学单元的光束路径中排列有光束开关400。光束开关400也是物镜系统100与检测器系统200之间光束路径中的第二光学单元的一部分。
可以从国际专利申请WO2005/024881、WO 2007/028595、WO 2007/028596、WO2011/124352及WO 2007/060017以及具有申请案号DE 10 2013 026 113.4及DE 10 2013014 976.2的德国专利申请案中获得与这种多束粒子束系统和其中所使用的部件相关的更多信息，例如粒子源、多孔径板和透镜。在本申请中通过引用将上述申请的全部揭露内容并入本文。
多光束粒子束系统进一步包括计算机系统10，其配置成控制多光束粒子束系统的单独粒子光学部件以及评估和分析由多检测器209获得的信号。在此情况中，计算机系统10可以由多个单独计算机或部件构成。
现在可以将根据本发明的磁多偏转器阵列500或根据本发明的方位角偏转器600整合到所述多束粒子束系统中，以使单独粒子束3在方位角方向上偏转。例如，若物镜102与物体7非常靠近定位且物镜102实施为磁浸透镜，则此便合理。这是因为，在此情况中，在物镜102的磁场中发生了单独粒子束3的非预期性方位角偏转。此可通过根据本发明的目标方位角偏转来补偿。
图2显示出穿过磁多偏转器阵列500的示意性截面图。磁多偏转器阵列500包括磁导多孔径板501和磁导第一孔径板502。多孔径板501具有多个圆形开口506，并且排列在粒子的光束路径中，使得单独粒子束实质地穿过多孔径板501的开口506。粒子束系统的光轴Z也延伸穿过多孔径板501的开口506。在所示示例中，多孔径板501排列在第一孔径板502上游的粒子束的光束路径的上方或之中。第一孔径板502具有单独圆形开口507且排列在粒子的光束路径中，使得所有单独粒子束3或至少多个单独粒子束实质地穿过第一孔径板502的单独开口。该系统的光轴Z在此延伸穿过第一孔径板502的开口507的中点。
多孔径板501和第一孔径板502经由侧区域503、504彼此连接，使得在两个板501和502之间形成实质关闭的空腔508。线圈505位于所述空腔508的横向区域中。在由十字或点显示的横截面中指出了线圈505的缠绕方向。在此排列中，线圈的磁场线实质上平行于光轴Z。整体上，图2所显示的磁多偏转器阵列500的示例实质上具有扁平中空圆柱体的几何形状。所述圆柱体的开口由多孔径板501的开口506和第一孔径板502的单独中央开口507形成。不然，只有用于线路连接的开口(未描绘)。
包括连接侧区域503和504的多孔径板501和第一孔径板502分别由具有高磁导率μr的材料形成。包括侧区域503和504的板501和502在此较佳的是由相同的材料所制成。较佳的材料是例如铁、镍、钴、铁氧体、mu-金属或纳米晶体金属或前述材料的合金。在所显示的示例中，板501、502以及侧区域503和504的厚度至少约为30μm。在具有相应高磁导率μr的情况下，所述板501、502的厚度足以避免对于所需磁场强度的磁饱和。可替代的，包括连接侧区域503和504的多孔径板501和第一孔径板502可以各由非磁载体板形成，例如由硅所制成，其上施有由上述材料之一所制成的、相应厚度至少为30μm的磁性层。由线圈505产生的磁场的典型最大磁场强度在大约0.1mT和5mT之间，例如为1mT。由线圈505产生的磁场强度在此是可设定的。
多孔径板501的开口506排列成使得单独粒子束3可以穿过开口506。因此，它们的几何排列适配于系统中所使用的单独粒子束3的几何形状。特别是，根据公式3n(n-1)+1(其中n是自然数)，多孔径板501中的开口排列可以是六边形。
单独粒子束3因此穿过所述磁多偏转器阵列500。图2通过示例的方式显示出三个光束S0、S1和S2。光束S0沿着系统的光轴Z穿过多孔径板501和穿过单个孔径板502。它在此处不会在线圈505产生的磁场中发生偏转。相反，两个光束S1、S2偏离轴线入射在多偏转器阵列500上。刚开始，它们平行于光轴Z进入多孔径板501的开口506。然后，它们在磁场中发生偏转，为说明起见，在图2中以放大方式显示。
图3显示了磁标量势的示意图。标量势以等位线SM0、SM1和SM2的形式表示。在空腔508内或与板501和502相距相当远的距离内，垂直于光轴Z的平面中的标量势是恒定的，且可以由SM0描绘为水平直线。在第一孔径板502的开口507的区域中，标量势的等位线略微弯曲。SM1对此示意性的说明。在空腔508的中心并且穿过第一孔径板502中的开口507的磁标量势等位线相对于光轴Z旋转对称，因为第一孔径板502的开口507相对于光轴Z排列在中心，所以第一孔径板502的开口507的中点或质心位于光轴Z上。
在多孔径板501的区域中情况不同。在此，由SM2示意性地显示，计算和模拟显示出在每个开口506的区域中的磁标量势的等位线的强曲率。在开口506的区域中，这些是对称断裂的局部区域。因此，磁标量势在每个开口506的区域中突然改变。当单独粒子束3穿过多孔径板501的开口506时，磁通便几乎是突然改变。当所有单独粒子束穿过开口506时，它们穿过磁标量势中的相同梯度。相反，当单独粒子束穿过单个孔径板502中的大开口507时，它们穿过标量势的不同梯度。
然后可以如下说明性描述校正方位角所基于的效应：由于磁通量中的突然变化，将广义角动量的磁分量提供给单独粒子束3。该广义角动量具有磁性分量和动能分量。在进一步通过多偏转器阵列500时且当离开多偏转器阵列500时(没有跳跃)，角动量的所述磁性分量被转换成动能角动量。角动量的所述动能分量的变化对应于方位角偏转。该偏转的大小在此取决于单独粒子束3到光轴Z的距离。单独粒子束3离光轴Z的距离越大，所述光束的方位角偏转越大。因此，每个单独粒子束3在方位角方向上单独偏转，特别是与其离光轴Z的距离r成比例。然而，为此不需要场的单独设定，但是唯一需要的磁场通过单个线圈505针对所有单独粒子束3均等地产生。因此，多偏转器阵列的几何形状或多孔径板501和第一孔径板502的特定排列以及相应的磁导材料的使用，对于方位角偏转的作用至关重要。可以通过流过线圈505的电流来设定偏转强度。可替代地，可以通过多孔径板501和单个孔径板502之间的距离来设定偏转强度。尽管在每种情况下仅一个参数改变，但对于每个对应于其关于光轴Z的位置的单独粒子束3，其产生在方位角方向上偏转的单独设定。
图4显示出了单独粒子束的径向和方位角偏转。图4a)显示出单独粒子束S3的径向偏转。首先，描绘出了粒子束系统的光轴Z。S3是入射到由圆K指出的平行于光轴Z的径向偏转元件的偏轴光束。该偏转元件或圆K在此位于与径向平面Er正交的平面中。径向平面Er是由光轴和单独粒子束S3与圆K的交点所定义。现在，光束S3的偏转使得光束S3即使在其穿过偏转器K之后仍位于径向平面Er中。总体而言，它在平面Er内偏转了角度α。径向平面Er内的此种偏转代表着径向偏转。
图4b)通过示例的方式显示出单独粒子束S4的方位角偏转。再次描绘了具有中点M的圆K所示的偏转器的光轴Z。该偏转器K可以是例如图2和图3的根据本发明的多偏转器阵列的多孔径板501。现在，单独粒子束S4的方位角偏转发生在切平面Et中。切平面Et在此切向地位于半径为r的圆K处。在此，方位角偏转相对较小，并且偏转光束S4因而在完成方位角偏转后仍大致在切平面Et内移动。在此，它在切平面Et内偏转了角度β。
图4c)再次在示意性平面图中描绘出使用具有中点M的圆K的径向偏转和方位角偏转的组合。在此原则上在半径r的方向上发生径向偏转并且其因此指向中点M或背离中点M的方向。相反的，方位角偏转是在水平角方向上的偏转。在此，极坐标r和/>不应与偏转角α和β混淆，后者是指径向平面Er内和切线平面Et内的个别偏转。
图5显示出通过另一磁多偏转器阵列500的示意性截面图。图5中使用的参考符号对应于图2和图3中已经使用的那些。然而，图5所示的多偏转器阵列500的实施例变型与图2和图3描绘的示例性实施例不同之处在于，多孔径板501和单个(第一)孔径板502彼此电绝缘。使两板501和502彼此电绝缘的环绕间隙513位于多孔径板501和单个孔径板502之间。可替代的，间隙513可以电绝缘材料填充。在本发明的该实施例变型中，不同的电位可以施加到多孔径板501和单个孔径板502。在各种情况下，为了施加电位能而提供连接514和515，即在多孔径板501和单个孔径板502之间的电压。间隙513在此还为了磁通量形成一电阻。然而，如果间隙513够薄，由线圈505产生的磁场仍可够精确地被引导。
图6显示出穿过具有两个孔径板502和510的磁多偏转器阵列500的示意性截面图。图6中使用的参考符号与图2的那些对应。磁多偏转器阵列500的所描绘的排列显示出一对称变型。多孔径板501在此位于多偏转器阵列500的中心，即位于第一单个孔径板502和第二单个孔径板510之间的中心。如同第一孔径板501，第二磁导孔径板510同样具有单独圆形开口511，并且排列在粒子束3的光束路径中，使得多个单独粒子束3实质上穿过第一孔径板502和第二孔径板510。因此，光轴Z通过第一孔径板502的单独开口507在中心延伸，也通过第二孔径板510的单独开口511在中心延伸。在多孔径板501和第二孔径板510之间形成第二空腔509。第二线圈512位于该空腔509中。此第二线圈512的缠绕的取向与第一线圈505的缠绕方向相反。由于板501、502和510的对称排列，可获得与图2所示的排列相同的沿方位角方向的偏转效应。然而，由于多偏转器阵列500的对称设计，作用在多孔径板501上的力较弱，此即为何此设计提供优势的原因。在该实施例中，当单独粒子束3穿过多孔径板501的开口506时，也发生了磁标量势或磁通量的实际跳跃。在此示例性实施例中，板501、502和510也可以通过一间隙彼此电绝缘，且另外可以通过施加不同的电位来提供透镜效果。
图7显示出通过具有附加的多线圈阵列的磁多偏转器阵列500的示意性截面图。在每种情况下，每个(或几乎每个)开口506上方都排列一个线圈517。每个线圈围绕一个开口506。线圈并不位于开口506内。线圈517基本上是圆形，且排列使得各个线圈轴线平行于光轴Z。每个线圈517因此围绕单独粒子束3。以此方式，对于不在光轴Z上的所有开口506，方位角偏转的单独后校正可能可行。对于位于光轴Z上的中央开口516，通常不需要这样的后校正，即，在所示的示例中此处没有线圈517，因为通常不必针对方位角偏转校正中央单独粒子束3。可替代地，也可以在中心开口516附近排列线圈517。这可以帮助补偿在穿过多孔径板501时单独粒子束可能经历的磁通量的任何减弱。
在上述示例性实施例规定第一和/或第二孔径板具有单独开口的情况下，这代表着在第一和/或第二孔径板上有一个开口，多个或所有单独粒子束将通过该开口入射到物体上并经历预期的方位角偏转。然而，如果第一孔径板和/或第二孔径板具有位于该区域之外的另外开口，要经期望的方位角偏转的多个单独粒子束穿过该开口，或者不属于上述多重性的其他单独粒子束穿过该开口，则本发明所获得的效应不会受到干扰。
图8显示出本发明的替代实施例变型。它示意性地显示出基于电涡流场产生的方位角偏转器600。这些电涡流场允许方位角偏转。所述电涡流场由时变磁场所产生。磁场B本身由线圈605产生。该线圈605的缠绕是旋转对称的，且线圈605相对于光轴Z同轴地取向。因此，在电流流过的线圈605此情况下，磁场线M基本上平行于光轴Z。如果磁场B的强度随时间变化是因为通过线圈605的时变电流，则产生电涡流场E，其绕着光轴Z圆形地取向。
图9显示出来自图8的方位角偏转器600的相应平面图。光轴Z位于中心且电流流过的线圈605在图中由两个外圆环表示。电涡流场E绕光轴Z环形延伸。现在，单独粒子束3通过穿越方位角偏转器600时的电场E在电涡流场方向上偏转。换句话说，单独粒子束的方位角改变。此偏转的强度取决于磁场的时间变化有多快。
粒子束系统通常以扫描方式照射样品或物体7，这是为什么不得不将磁场B的重置适应于粒子束系统的扫描间隔(又称为回扫时间)的原因。例如，通过线圈605的电流可以在每个线扫描期间以恒定的速率增加或减小，结果为在线扫描期间获得了磁场暂时恒定的变化率。在回扫时间，也就是说在开始将粒子束引导回线路期间，可以将通过线圈605的电流重置为初始值。以此方式，粒子束原则上会总是遇到相同的电涡流场。
图10显示出在多束粒子显微镜1中的磁多偏转器阵列500的定位的示意图。类似地，也可以使用基于在方位角方向上的电涡流场的产生的方位角偏转器600。磁多偏转器阵列500的位置在此能以很大的灵活性来选择。
在图10a)中，多偏转器阵列500排列在多束粒子源附近或形成单独粒子束3的多孔径板313附近。图10a)具体地显示了产生发散粒子束309的粒子源301(例如电子源)。所述束309穿过聚光镜系统303。接着，将其入射在多孔径板313上，并产生单独粒子束3。在所显示的示例中，根据本发明的多偏转器阵列500紧接着位于所述多孔径板313的下游。在通过场镜系统FL之前，关于方位角偏转形式在本文中校正的光束在另一光束路径中形成中间图像SG，最后通过物镜102成像到物体7上。物镜102可以特别的是磁浸透镜，使得物体7仍然位于浸没透镜102的磁场内。可以通过在多偏转器阵列500内沿方位角方向的偏转来补偿因磁浸透镜102的磁场的单独粒子束3的倾斜。相应地设置多偏转器阵列500的线圈的电流，使得因多偏转器阵列500而导致的单独粒子束的方位角偏转实质上补偿因磁浸没场而导致的每个单独粒子束的方位角偏转。
在图10b)显示的示例中，多偏转器阵列500位于中间图像SG的区域中。这具有的优点是，当设定的偏转角改变时，光束3在物体7上的位置(与根据图10a)的示例不同)不会显著改变。但是，原则上，多偏转器阵列500也可能有其他定位。
图11显示出了用于方位角校正的方法的流程图。在第一步骤S1中，照射物体7。这意味着多个带电的单独粒子束3入射在样品7上。在另一步骤S2中，使用合适的设备来确定单独粒子束3入射到样品7上的入射角。为了确定单独粒子束的入射角，例如，在光束引导相同的情况下，可以在物体离物镜的不同距离处记录物体的至少两个图像。可以将两个图像相互比较，并且可以根据在比较期间观察到的图像内容的位移来计算入射角。对于确定的每个入射角，在步骤S3中确定入射角与限定的最佳入射角或者预定的入射角的偏差。这些最佳入射角通常是对于成像特别有利的期望角度。例如，最佳的入射角可能对应于远心照明，在此期间，单独粒子束因此正交入射在样品上。预先选择的最佳入射角也可能对应于通过物镜无彗差点的照明。
在另一步骤S4中，将确定的偏差分为径向分量和方位角分量。然后可分别校正径向分量和方位角分量。因此，在方法步骤S5中使用电和/或磁偏转场来校正方位角偏差。附加地或替代地，可以在方法步骤S6中使用电和/或磁偏转场来校正单独粒子束的偏差的径向分量。方法步骤S5和S6的顺序在此是任意的，且原则上也可以同时或部分同时校正偏差。
在此的步骤S5中校正方位角分量特别包括计算磁多偏转器阵列500的激发并产生计算的激发。换句话说，例如计算出什么电流必须流过第一线圈505以产生期望的磁场，该期望的磁场在多孔径板501中引起期望的磁场跳跃和/或磁场内期望的对称中断，其进而导致在方位角方向上期望的偏转。另外，若此第二线圈512存在，则也可确定必须流过第二线圈512的电流。特别地，可以将电流水平选择为与第一线圈505中的电流水平相同，但是其中第一线圈505的缠绕方向与第二线圈512的缠绕方向不同。另外，还可以根据它们各自的电流水平来计算和设定可能存在的任何多线圈阵列的线圈517。替代地，可以计算和设定多孔径板501与第一单个孔径板502以及可能的第二单个孔径板510之间的板距离。在每种情况下要设定的所用参数值可以储存在查找表中，在执行本发明的方法期间可以存取查找表的内容。
类似地，校正角度偏差的径向分量包括计算用于径向校正的电磁透镜的激发并产生计算的激发。替代地，可以利用静电多偏转器阵列进行径向校正，且可计算和产生相关的电位。
所述的具有根据本发明的多偏转器阵列500或具有方位角偏转器600的粒子束系统可以特别地用于方位角校正。然而，现有技术中已知的其他偏转装置原则上允许在方位角和/或径向方向上进行校正。然而，事实是，利用根据本发明的方位角偏转器500、600可以特别容易且巧妙地执行根据本发明的方法。

Claims (27)

1.一种粒子束系统，包括：
配置成产生多个带电的单独粒子束的多束粒子源；以及
用于使该单独粒子束在方位角方向上偏转的磁多偏转器阵列，包括：
具有多个开口的磁导多孔径板，其排列在所述粒子束的光束路径中，使得不同的单独粒子束实质地穿过该多孔径板中的不同开口；
具有单独开口的磁导的第一孔径板，该第一孔径板排列在所述粒子束的光束路径中，使得多个单独粒子束实质地穿过该第一孔径板中的单独开口；
其中该多孔径板和该第一孔径板彼此连接，使得在该多孔径板和该第一孔径板之间形成一空腔；以及
用于产生磁场的第一线圈，该线圈排列在该多孔径板和该第一孔径板之间的空腔中，使得所述多个单独粒子束实质地穿过该线圈。
2.如权利要求1所述的粒子束系统，其中该第一孔径板中的开口包括与该粒子束系统的光轴重合的中点。
3.如权利要求1或2所述的粒子束系统，其中该多孔径板排列在该第一孔径板上游的该单独粒子束的光学路径中。
4.如权利要求1或2所述的粒子束系统，其中该多孔径板排列在该第一孔径板下游的该单独粒子束的光学路径中。
5.如权利要求1或2所述的粒子束系统，其中该多偏转器阵列进一步包括：
具有单独开口的磁导第二孔径板，该第二孔径板排列在该粒子束的光学路径中，使得该多个单独粒子束实质地穿过该第二孔径板的单独开口，
其中该多孔径板和该第二孔径板彼此连接，使得该多孔径板和该第二孔径板之间形成第二空腔；以及
用于产生磁场的第二线圈，该线圈排列在该多孔径板和该第二孔径板之间的该第二空腔中，使得该多个单独粒子束实质地穿过该第二线圈，
其中该第二线圈的缠绕方向与该第一线圈的缠绕方向相反。
6.如权利要求1或2所述的粒子束系统，其中该多偏转器阵列的至少一个板和/或该多偏转器阵列的板的至少一个磁导涂层的磁导率μr为：
μr≥500。
7.如权利要求6所述的粒子束系统，其中所述磁导率μr为：μr≥2000。
8.如权利要求6所述的粒子束系统，其中所述磁导率μr为：μr≥5000。
9.如权利要求6所述的粒子束系统，其中所述磁导率μr为：μr≥10000。
10.如权利要求1或2所述的粒子束系统，其中该多偏转器阵列的至少一个板包括以下材料中的至少一种：铁、镍、钴、铁氧体、mu-金属、纳米晶体金属。
11.如权利要求1或2所述的粒子束系统，其中该多偏转器阵列的至少一个磁导的板的厚度为至少30μm。
12.如权利要求1或2所述的粒子束系统，其中该多偏转器阵列的至少一个磁导的板的涂层厚度为至少30μm。
13.如权利要求5所述的粒子束系统，其中该多孔径板的开口和/或该第一孔径板的开口和/或该第二孔径板的开口是圆形的。
14.如权利要求13所述的粒子束系统，其中该多孔径板中的开口的直径d为：d≤150μm。
15.如权利要求14所述的粒子束系统，其中所述直径d为：d≤50μm。
16.如权利要求14所述的粒子束系统，其中所述直径d为：d≤10μm。
17.如权利要求1或2所述的粒子束系统，其中该多孔径板中的开口的排列是六边形的。
18.如权利要求1或2所述的粒子束系统，其中由至少一个线圈产生的磁场强度是可设定的，其中该磁场强度B为：B≤0.1mT。
19.如权利要求1或2所述的粒子束系统，其中由至少一个线圈产生的磁场强度是可设定的，其中所述磁场强度B为：B≤1.0mT。
20.如权利要求1或2所述的粒子束系统，其中由至少一个线圈产生的磁场强度是可设定的，其中所述磁场强度B为：B≤5mT。
21.如权利要求1或2所述的粒子束系统，进一步包括：
适于在该多孔径板的开口附近局部地单独设置磁场的多线圈阵列，
其中该多线圈阵列排列在该磁多偏转器阵列的空腔的外部，使得该单独粒子束穿过该多线圈阵列的线圈。
22.一种根据权利要求1或2所述的粒子束系统的用途，用于将单独粒子束远心设定在位于一磁场内的样品上。
23.一种粒子束系统中的方位角校正的方法，使用根据权利要求1或2中任一项所述的粒子束系统，所述方法包括以下步骤：
多个带电单独粒子束撞击到样品上；
确定所述单独粒子束在该样品上的入射角；
确定该入射角与预定入射角的偏差；
将该偏差分为径向分量和方位角分量；
通过电和/或磁偏转场来校正该单独粒子束的偏差的方位角分量。
24.如权利要求23所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
通过电和/或磁偏转场来校正该单独粒子束的偏差的径向分量。
25.如权利要求23所述的方法，其中校正该方位角分量包括计算磁多偏转器阵列的激发并产生所计算的激发。
26.如权利要求23所述的方法，其中校正该径向分量包括计算用于径向校正的电磁透镜的激发并产生所计算的激发。
27.如权利要求23所述的方法，其中所述预定入射角对应于远心照明，或
其中所述预定入射角对应于通过物镜的无彗差点的照明。
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