CN117443858A - 一种冷场电子源的清洁方法及清洁系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子显微镜与聚焦离子束领域,具体涉及一种冷场电子源的清洁方法及清洁系统,方法包括:使激光通过准直和聚焦引导照射至位于真空腔内的电子源的针尖上,使吸附在针尖上的污染物发生光致解吸;实时测量电子源的针尖温度,针尖温度超过阈值时,调低激光的功率密度至针尖温度不大于阈值;使用CCD相机实时监测激光在电子源的针尖上的聚焦情况,激光未聚焦在针尖上时,调节用于引导照射激光的光路组件,使得激光聚焦在针尖上,CCD相机位于针尖远离聚焦所用透镜的一侧。本发明的清洁方法,不会损伤电子源,电子源的寿命长。
Description
技术领域
本发明属于电子显微镜与聚焦离子束领域,具体地,涉及一种冷场电子源的清洁方法及清洁系统。
背景技术
随着科学研究和工业研发的进一步深入,对于扫描电子显微镜、电子束光刻机等电子设备中的电子源的亮度和质量的要求提出了进一步的要求,冷场电子源具有电子束高度集中、发射角小、空间和能量分辨率高的优点,已经被提出用作上述设备中的电子源。
冷场电子源的工作原理是基于量子力学的隧穿效应,在电子源的尖锐的金属尖端上施加足够大的电压,电子隧穿过尖端表面的势阱,并被发射出去。虽然冷场电子源产生的电子束亮度高、能量分布窄,但是对尖端表面的清洁度要求很高,尖端表面吸附的污染物容易阻碍电子的发射,影响发射效率,因此,冷场电子源需要定期进行表面清洁。
目前主要通过烧洗法清洁冷场电子源的表面,具体的方法为使用强烈的电流脉冲,将电子源尖端加热到极高的温度,使尖端表面的污染物迅速蒸发。然而进行烧洗清洁时,容易导致电子源尖端的形状和表面结构发生变化,降低电子源发射电流的稳定性,导致电子源针尖的使用寿命缩短。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的冷场电子源的清洁方法使得电子源形状和表面结构变化,电子源的寿命有限的缺陷,提供冷场电子源的清洁方法及清洁系统,该清洁方法不会损伤电子源针尖,电子源的寿命长。
为了实现上述目的,第一方面,本发明提供了一种冷场电子源的清洁方法,所述方法包括:
使激光引导照射至电子源的针尖上,使吸附在所述针尖上的污染物发生光致解吸,所述电子源位于真空腔内,所述引导照射包括依次进行的准直和聚焦;
实时测量所述电子源的针尖温度,所述针尖温度超过预设的阈值时,调低所述激光的功率密度至所述针尖温度不大于所述预设的阈值;
使用CCD相机实时监测所述激光在所述电子源的针尖上的聚焦情况,所述激光未聚焦在所述针尖上时,调节用于引导照射所述激光的光路组件,使得所述激光聚焦在所述针尖上,所述CCD相机位于所述针尖远离所述聚焦所用透镜的一侧。
在一些优选实施方式中,所述激光在照射到所述CCD相机上的过程中,所述激光未被障碍物遮挡时,所述CCD相机上的成像为第一激光斑图像,所述激光被障碍物遮挡时,所述CCD相机上的成像为第二激光斑图像,所述聚焦情况的监测方法为:所述激光聚焦在所述针尖上时,相比所述第一激光斑图像,所述第二激光斑图像缺失的部分包括与所述针尖的形状相对应的形状,同时,所述第一激光斑图像具有边缘部和中部,缺失的与所述针尖的形状相对应的形状位于所述第一激光斑图像的中部。
在一些优选实施方式中,所述激光的波长为250nm~370nm,单个脉冲持续时间为1ns~5ns,总脉冲数为300个~700个,功率密度为2.5MW/cm2~7.5MW/cm2。
优选地,所述激光的总脉冲数为400个~600个,单个脉冲持续时间为1ns~3ns;所述针尖为锥形钨时,所述激光的波长为340nm~370nm,功率密度为6.5MW/cm2~7.5MW/cm2,所述针尖为六硼化镧纳米线时,所述激光的波长为250nm~280nm,功率密度为2.5MW/cm2~3.5MW/cm2。
在一些优选实施方式中,实时检测经过所述准直的所述激光的激光参数,所述激光参数超出预设范围时,调整所述准直所用准直透镜的位置,所述激光参数包括光束发散角、束宽度和光束质量因子M2中的一种或多种。
在一些优选实施方式中,所述引导照射还包括所述准直和所述聚焦之间的反射;
所述激光未聚焦在所述针尖上时,调节所述准直所用准直透镜的位置和/或所述反射所用反射镜的角度和/或所述聚焦所用透镜的位置。
在一些优选实施方式中,所述聚焦包括使激光依次透过凸透镜和平凸柱面透镜。
第二方面,本发明提供用于第一方面所述的冷场电子源的清洁方法的清洁系统,所述系统包括:
光路组件,其包括依次设置的激光器和沿激光光路方向依次设置的电光调制器、准直透镜和聚焦透镜,所述电光调制器调整所述激光器发出的激光的功率密度,所述聚焦透镜位于电子源的针尖的一侧;
CCD相机,其位于所述针尖远离所述聚焦透镜的一侧,所述CCD相机监测激光在所述针尖上的聚焦情况;
红外热像仪,所述红外热像仪测量所述针尖的温度。
在一些优选实施方式中,所述光路组件还包括光束质量分析器,沿激光光路方向,所述光束质量分析器位于所述准直透镜和所述聚焦透镜之间,所述光束质量分析器用于检测经过准直的激光的激光参数。
在一些优选实施方式中,所述光路组件还包括反射镜,沿激光光路方向,所述反射镜位于所述准直透镜和所述聚焦透镜之间,所述反射镜至少包括第一反射镜和第二反射镜,所述激光器、电光调制器、准直透镜和第一反射镜位于冷场电子源所属扫描电镜或电子束光刻机的防振平台上,所述第二反射镜靠近所述聚焦透镜设置。
在一些优选实施方式中,所述聚焦透镜包括依次设置的凸透镜和平凸柱面透镜,所述平凸柱面透镜靠近所述电子源的针尖设置。
本发明的冷场电子源的清洁方法,将激光引导照射到真空腔中电子源的针尖上,使得被吸附在电子源的针尖表面的污染物吸收激光的光子能量,获得足够的光子能量后发生光致解吸,污染物从针尖表面脱离,能够在较低的温度下清洁电子源。本发明的清洁方法,无需将电子源的针尖加热到高温解吸所需的1000K以上的温度,能够避免高温导致的电子源尖端的形状和表面结构的变化,保证电子源发射电流的稳定性,增加电子源的寿命,同时无需进行烧洗的加热到冷却的过程,清洁时间短。
本发明中,实时测量电子源的针尖温度,当偶尔针尖温度超过预设的阈值时,调低激光的功率密度,能够防止针尖因过热而损伤,增加电子源寿命;通过CCD相机实时监测激光在电子源的针尖上的聚焦情况,激光未聚焦在针尖上时,调节用于引导照射激光的光路组件,能够保证激光准确聚焦在针尖上,保证清洁过程的有效性和清洗效果的稳定性。
本发明的冷场电子源的清洁系统,在用于清洁冷场电子源时,能够避免损伤电子源,保证电子源发射电流的稳定性,电子源的寿命长,清洁时间短。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的冷场电子源的清洁方法的一种具体实施方式的激光光路图。
图2为本发明的聚焦过程的一种具体实施方式的示意图。
图3为光致解吸过程的示意图。
附图标记说明
1、激光器;2、电光调制器;3、准直透镜;4、聚焦透镜;401、凸透镜;402、平凸柱面透镜;5、CCD相机、6、光束质量分析器;7、第一反射镜;8、第二反射镜;9、针尖;10、真空腔;11、丝杆台;12、旋转台;13、底座;14、立柱式镜头架。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
在本文中,在未作相反说明的情况下,使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指结合附图和实际应用中所示的方位理解,“内、外”是指部件的轮廓的内、外。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明的发明人研究发现烧洗法清洁冷场电子源的表面时,电子源尖端的形状和表面结构容易发生变化,影响电子源发射电流的稳定性。
对此,第一方面,本发明提供了一种冷场电子源的清洁方法,所述方法包括:
使激光引导照射至电子源的针尖9上,使吸附在所述针尖9上的污染物发生光致解吸,所述电子源位于真空腔10内,所述引导照射包括依次进行的准直和聚焦;
实时测量所述电子源的针尖温度,所述针尖温度超过预设的阈值时,调低所述激光的功率密度至所述针尖温度不大于所述预设的阈值;
使用CCD相机5实时监测所述激光在所述电子源的针尖9上的聚焦情况,所述激光未聚焦在所述针尖9上时,调节用于引导照射所述激光的光路组件,使得所述激光聚焦在所述针尖9上,所述CCD相机5位于所述针尖9远离所述聚焦所用透镜的一侧。
本发明的冷场电子源的清洁方法,将激光引导照射到真空腔中电子源的针尖上,使得被吸附在电子源的针尖表面的气体分子或污染物吸收激光的光子能量,获得足够的光子能量后气体分子或污染物从针尖表面脱离,发生光致解吸(参考图3),能够在较低的温度下清洁电子源,避免高温导致的电子源尖端的形状和表面结构的变化,增加电子源的寿命,无需进行烧洗的加热到冷却的过程,清洁时间短。
本发明在清洁电子源的过程中,在位于针尖远离聚焦所用透镜的一侧设置CCD相机,CCD相机上的激光斑图像体现激光是否聚焦在电子源的针尖上,能够通过简单有效的方法实时监测激光在电子源针尖上的聚焦情况,当激光未聚焦在电子源针尖上,及时调整引导照射激光的光路组件,在激光照射清洗的过程中,保持激光的准确聚焦,能够保证激光清洁过程的有效性,在每次激光清洁的过程中实时监测调整保持激光聚焦,做到有效清洁,能够稳定激光清洁的效果。
在使激光引导照射至电子源的针尖上,使吸附在所述针尖上的污染物和/或气体分子发生光致解吸的过程中,可能会发生针尖的温度突然升高的情形,可能会因为过热对针尖造成损伤,本发明实时测量电子源的针尖温度,针尖温度超过预设的阈值时,适当调低激光的功率密度至针尖温度不大于预设的阈值,能够防止针尖因过热而损伤,进一步增加电子源寿命。本发明中所述预设的阈值优选为400K~600K,更利于防止损伤针尖。
在一些优选的实施方式中,所述激光在照射到所述CCD相机5上的过程中,所述激光未被障碍物遮挡时,所述CCD相机5上的成像为第一激光斑图像,所述激光被障碍物遮挡时,所述CCD相机5上的成像为第二激光斑图像,所述聚焦情况的监测方法为:所述激光聚焦在所述针尖9上时,相比所述第一激光斑图像,所述第二激光斑图像缺失的部分包括与所述针尖9的形状相对应的形状,同时,所述第一激光斑图像具有边缘部和中部,缺失的与所述针尖9的形状相对应的形状位于所述第一激光斑图像的中部。
参考图2,在激光照射到CCD相机5上的过程中,激光完全未被障碍物遮挡时,CCD相机5上的成像为完整的激光斑,激光被针尖9或针尖的底座13等障碍物遮挡时,相比激光完全未被障碍物遮挡时的完整的激光斑,CCD相机5上的成像为缺失的激光斑。本发明的激光聚焦在针尖9上指,相比CCD相机上的完整的激光斑,缺失的激光斑的缺失的部分包括与针尖的形状相对应的形状,且缺失的与针尖9的形状相对应的形状位于完整的激光斑的中部。
电子源的针尖9的长度通常小于200,激光的聚焦点的直径大于电子源的针尖9的长度。本发明的激光聚焦在针尖9上的情况一方面指激光的焦平面与针尖9的位置重合,激光的聚焦光斑覆盖整个针尖9,此时CCD相机上的缺失的激光斑的缺失的部分包括与针尖的形状相对应的形状,另一方面包括激光的焦平面与针尖9的位置有微小偏移,当激光的焦平面与针尖9的位置有微小偏移时,此时激光对针尖上的污染物的光致解吸效果不会受到影响,此时,CCD相机上的缺失的激光斑的缺失的部分也包括与针尖的形状相对应的形状。
现有的电子源的针尖9的形状通常为锥形,最细的部分的直径只有几十纳米,对于激光来说,针尖的直径为几十纳米的部分实际上不会对激光产生遮挡作用,激光通过衍射绕过针尖的最细部分,因此缺失的与针尖的形状相对应的形状,可能与针尖的形状有所区别,例如锥形的针尖,缺失的与锥形的针尖的形状相对应的形状体现为锐角三角形;纳米线的针尖,缺失部分形状为与纳米线相连接的底板端部的形状,一般为矩形。
当激光的焦平面与针尖的位置重合,但激光的聚焦光斑仅仅覆盖针尖9的部分区域,电子源针尖的直径为几十纳米的部分恰好未被激光的聚焦光斑覆盖时,会影响激光对针尖这部分的清洗,由于直径为纳米级别的部分不会对激光产生遮挡作用,此时,相比激光完全未被障碍物遮挡时的完整的激光斑图像,缺失的激光斑的缺失的部分也包括与针尖的形状相对应的形状,但此时缺失的与针尖的形状相对应的形状位于完整的激光斑图像的边缘部,例如锥形的针尖,缺失的锐角三角形位于完整的激光斑图像的边缘部,当激光的聚焦光斑覆盖整个针尖9时,缺失的锐角三角形位于完整的激光斑图像的中部。
当激光的焦平面与针尖的位置重合,聚焦激光的聚焦光斑仅仅覆盖针尖9的包括直径为几十纳米的部分的部分区域,对于锥形的针尖,缺失的激光斑的缺失的部分也包括与针尖的形状相对应的形状,但此时,缺失的锐角三角形也位于完整的激光斑图像的边缘部。
本发明的完整的激光斑图像即第一激光斑图像具有边缘部和中部,缺失的与所述针尖9的形状相对应的形状位于第一激光斑图像的边部指缺失的与针尖的形状相对应的形状的边缘与完整的激光斑图像即第一激光斑图像的边缘存在重合,缺失的与所述针尖9的形状相对应的形状位于第一激光斑图像的中部指缺失的与针尖的形状相对应的形状的边缘与完整的激光斑图像即第一激光斑图像的边缘完全不重合。
本发明的激光的焦平面与针尖9的位置重合,激光的聚焦光斑覆盖整个针尖9时,激光的聚焦光斑会同时覆盖针尖9和底座13的部分区域,光斑图像缺失的部分不仅仅是与针尖的形状相对应的形状,激光的焦平面与针尖9的位置有微小偏移时,光斑图像缺失的部分也不仅仅是与针尖的形状相对应的形状,激光斑图像缺失的部分包括与针尖的形状相对应的形状即可,如锥形的针尖,缺失的部分不是锐角三角形,缺失的部分包括锐角三角形就说明激光聚焦在针尖9上。
本发明在激光的焦平面与针尖9的位置重合或激光的焦平面与针尖9的位置有微小偏移,激光的聚焦光斑仅仅覆盖底座13时,底座13的尺寸规格较大,此时CCD相机上将不会出现激光斑。
该优选方案的聚焦情况的监测方法能够更加有效方便地实时监测激光在电子源针尖上的聚焦情况,当激光未聚焦在电子源针尖上,及时调整引导照射激光的光路组件,在激光照射清洗的过程中,保持激光的准确聚焦,保证激光清洁过程的有效性。
在一些优选实施方式中,所述激光的波长为250nm~370nm,单个脉冲持续时间为1ns~5ns,总脉冲数为300个~700个,功率密度为2.5MW/cm2~7.5MW/cm2。所述单个脉冲持续时间指脉冲的半高宽(FWHM)。所述总脉冲数为单次清洗过程的脉冲数。该优选方案下,更利于在提高光致解吸效果的同时,避免针尖温度超过预设的阈值,防止损伤针尖。激光的总脉冲数具体例如可以为300个、400个、500个、600个和700个,单个脉冲持续时间具体例如可以为1ns、2ns、3ns、4ns和5ns。总脉冲数不低于300个,更利于确保清洗效果,总脉冲数不高于700个,更利于防止损伤针尖,单个脉冲持续时间不低于1ns,更利于确保每个脉冲提供足够的能量,单个脉冲持续时间不高于5ns,更利于防止过度加热,保护针尖,防止损伤针尖。
优选地,所述激光的总脉冲数为400个~600个,单个脉冲持续时间为1ns~3ns;所述针尖为锥形钨时,所述激光的波长为340nm~370nm,功率密度为6.5MW~7.5MW,所述针尖为六硼化镧纳米线时,所述激光的波长为250nm~280nm,功率密度为2.5MW~3.5MW。该优选方案下,激光的总脉冲数为400个~600个,单个脉冲持续时间为1ns~3ns,更利于确保清洗效果,使针尖温度不会过高,保护针尖。针尖为锥形钨时激光的波长为340nm~370nm,功率密度为6.5MW~7.5MW,针尖为六硼化镧纳米线时激光的波长为250nm~280nm,功率密度为2.5MW~3.5MW,更利于提高光致解吸效果。
在一些优选实施方式中,实时检测经过所述准直的所述激光的激光参数,所述激光参数超出预设范围时,调整激光器1的参数和/或所述准直所用准直透镜3的位置,所述激光参数包括光束发散角、束宽度和光束质量因子M2中的一种或多种。激光器1的参数包括激光散射角等。当激光未聚焦在所述针尖9上时,需要调节引导照射激光的光路组件,包括激光器1、准直所用透镜和聚焦所用透镜等,该优选方案下,实时检测经过准直的激光的激光参数,当激光参数超出预设范围时,得知准直效果欠佳,先调节激光器1的参数和/或准直透镜3的位置,相比不检测准直后的激光的激光参数,调节激光器1、准直所用透镜和聚焦所用透镜等,更利于提高调节效率。受光路的限制,聚焦所用透镜的调节受调节范围的限制,当准直效果欠佳时,可能会出现,在整个调节范围内调节聚焦所用透镜,也不能使激光聚焦在针尖9上,也可能会出现,即使在调节范围内调节聚焦所用透镜,激光能聚焦在针尖9上,但聚焦所用透镜的调节幅度过大,影响聚焦后的能量密度等,该优选方案下,检测经过准直的激光的光束发散角、束宽度和光束质量因子中的一种或多种,并在激光参数超出预设范围时,调节激光器1的参数和/或准直透镜的位置,更利于保证光束的准直效果,在具有良好准直效果的基础上,减少对聚焦所用透镜的调节,使得激光束准确聚焦到针尖上,且避免调节幅度过大,影响聚焦后的能量密度等。本发明的光束质量因子M2指激光光束和理想的高斯光束的相似度,光束质量因子M2影响激光经过聚焦透镜时的聚焦效果。
所述预设范围为预设的预先确定的保证激光束能够准确聚焦到针尖上,并控制聚焦透镜的调节幅度,保证能量密度的基础上,经过准直后激光的光束发散角、束宽度和光束质量因子M2等激光参数的适宜范围,根据光路组件的长度和所需的聚焦光斑的大小等确定激光参数的适宜范围。
在一些优选实施方式中,所述引导照射还包括所述准直和所述聚焦之间的反射;所述激光未聚焦在所述针尖上时,调节发出所述激光的激光器1的参数和/或所述准直所用准直透镜3的位置和/或所述反射所用反射镜的角度和/或所述聚焦所用透镜的位置。该优选方案下,扫描电镜或电子束光刻机中留给光路组件的空间有限,在所述准直和所述聚焦之间加入对激光的反射,反射能够调整光路的方向,能够增加光路组件布置的灵活性,更利于在有限的空间内,使得激光经过准直后准确聚焦到针尖上并保证聚焦后的能量密度;所述激光未聚焦在所述针尖上时,调节发出所述激光的激光器1的参数和/或所述准直所用准直透镜3的位置和/或所述反射所用反射镜的角度和/或所述聚焦所用透镜的位置,扫描电镜或电子束光刻机中留给光路组件的空间有限,增加调节的方式,更利于在有限的调节空间内,使得激光束准确聚焦到针尖上,同时,避免准直透镜或反射镜或聚焦所用透镜的调节幅度过大,影响聚焦后的能量密度等。
在一些优选实施方式中,所述聚焦包括使激光依次透过凸透镜401和平凸柱面透镜402。平凸柱面透镜402能取到一定的聚焦效果,更利于微调激光的聚焦效果。优选地,所述激光未聚焦在所述针尖上时,调节发出所述激光的激光器1的参数和/或准直所用准直透镜3的位置和/或凸透镜401的位置和/或平凸柱面透镜402的位置,增加调节方式,更利于在有限的调节空间内,使得激光束准确聚焦到针尖上,同时,避免准直透镜3或凸透镜401或平凸柱面透镜402的调节幅度过大,影响聚焦后的能量密度等。优选地,所述引导照射还包括所述准直和所述聚焦之间的反射,所述聚焦包括使激光依次透过凸透镜401和平凸柱面透镜402,所述激光未聚焦在所述针尖上时,调节发出所述激光的激光器1的参数和/或准直所用准直透镜3的位置和/或反射所用反射镜的角度和/或凸透镜401的位置和/或平凸柱面透镜402的位置。
第二方面,本发明提供用于第一方面所述的冷场电子源的清洁方法的清洁系统,所述系统包括:
光路组件,其包括依次设置的激光器1和沿激光光路方向依次设置的电光调制器2、准直透镜3和聚焦透镜4,所述电光调制器2通过调整Q开关的方式调整所述激光器1发出的激光的功率密度,所述聚焦透镜4位于电子源的针尖的一侧;
CCD相机5,其位于所述针尖远离所述聚焦透镜4的一侧,所述CCD相机5监测激光在所述针尖上的聚焦情况;
红外热像仪,所述红外热像仪测量所述针尖的温度。
本发明的清洁系统在清洁冷场电子源时,将激光器1发出的激光通过准直透镜3和聚焦透镜4引导照射到电子源的针尖上,使吸附在针尖9上的污染物发生光致解吸,采用位于针尖远离聚焦透镜4的一侧的CCD相机5实时监测激光在针尖上的聚焦情况,在激光未聚焦在针尖上时,及时调节准直透镜3和聚焦透镜4等光路组件,能够保证激光准确聚焦在针尖9上,保证清洁过程的有效性和清洗效果的稳定性,采用红外热像仪实时监测针尖的温度,偶尔针尖温度超过预定的阈值时,通过位于激光器1和准直透镜3之间的电光调制器2调低激光器1发出的激光的功率密度,能够防止针尖9因过热而损伤,增加电子源寿命。
在一些优选的实施方式中,所述红外热像仪安装于冷场电子源所属扫描电镜或电子束光刻机的防振平台上。
在一些优选的实施方式中,所述光路组件还包括光束质量分析器6,沿激光光路方向,所述光束质量分析器6位于所述准直透镜3和所述聚焦透镜4之间,所述光束质量分析器6用于检测经过准直的激光的激光参数。该优选方案下,在准直透镜3和聚焦透镜4之间设置光束质量分析器6,在清洁冷场电子源时,光束质量分析器6实时检测经过准直的激光的激光参数,激光参数超出预设范围时,调节准直透镜3的位置和/或发出所述激光的激光器1的参数,当激光未聚焦在针尖9上时,更利于提高调节效率,减少对聚焦所用透镜的调节幅度,使得激光束准确聚焦到针尖上,且避免调节幅度过大,影响聚焦后的能量密度。
在一些优选的实施方式中,所述光路组件还包括反射镜,沿激光光路方向,所述反射镜位于所述准直透镜3和所述聚焦透镜4之间,所述反射镜至少包括第一反射镜7和第二反射镜8,所述激光器1、电光调制器2、准直透镜3和第一反射镜7位于冷场电子源所属扫描电镜或电子束光刻机的防振平台上,所述第二反射镜8靠近所述聚焦透镜4设置。该优选方案下,在准直透镜3和聚焦透镜4之间设置第一反射镜7和第二反射镜8,更利于在有限的空间内,使得激光经过准直后准确聚焦到针尖上并保证聚焦后的能量密度。
在一些优选的实施方式中,在电子源所在真空腔室的侧面设置有熔融石英材料的圆形窗口,以使激光进入真空腔室后聚焦于电子源的针尖上,所述真空腔室的直径优选为1.5cm~3cm,透过窗采用熔融石英材料,有利于提高紫外范围内的激光透光率,有效地将激光引入真空腔室,避免消减激光的功率,在极端工作条件下保持稳定性。
在一些优选的实施方式中,所述聚焦透镜4包括依次设置的凸透镜401和平凸柱面透镜402,所述平凸柱面透镜402靠近所述电子源的针尖9设置。该优选方案下,在清洁冷场电子源时,使激光依次透过凸透镜401和平凸柱面透镜402,更利于微调激光的聚焦效果,在有限的调节空间内,使得激光束准确聚焦到针尖上并保证聚焦后的能量密度。
在一些优选的实施方式中,所述准直透镜3、凸透镜401和平凸柱面透镜402均由熔融石英制成,更利于提高对紫外范围脉冲激光的透过率,具有很好的机械稳定性和化学稳定性,使得透镜在各种环境下都能保持良好的性能,准直透镜3、凸透镜401和平凸柱面透镜402上有通过蒸发和溅射的方式制备的二氧化硅和二氧化钛交替的多层膜构成的防反射涂层,更利于减少透镜表面的光线反射;第一反射镜7和第二反射镜8使用了介电镜涂层,更利于提高反射效果。
在一些优选的实施方式中,准直透镜3安装于防振平台的丝杆台11上,凸透镜401和平凸柱面透镜402通过立柱式镜头架14安装;第一反射镜7和第二反射镜8安装于旋转台12和镜头座上,旋转台12用于放置反射镜,镜头座用于调整反射镜的角度。
实施例1
冷场电子源的针尖为锥形钨。
一种冷场电子源的清洁系统,参考图1和图2,包括依次设置于冷场电子源所属扫描电镜的防振平台上的激光器1、电光调制器2、准直透镜3、光束质量分析器6和第一反射镜7,设置于防振平台上的红外热像仪,位于扫描电镜中电子源的针尖9的一侧的第二反射镜8、凸透镜401和平凸柱面透镜402,位于针尖9远离所述第二反射镜8、凸透镜401和平凸柱面透镜402的一侧的CCD相机5。其中,平凸柱面透镜402靠近电子源的针尖9设置,凸透镜401设置于第二反射镜8和平凸柱面透镜402之间,凸透镜401与电子源的轴线之间的距离约为500mm,激光器1、电光调制器2、准直透镜3、光束质量分析器6、第一反射镜7、第二反射镜8、凸透镜401和平凸柱面透镜402位于扫描电镜的电子源所在的真空腔10外,CCD相机5位于扫描电镜的电子源所在的真空腔10内,平凸柱面透镜402和电子源的针尖9之间的真空腔壁上设置有2cm直径的熔融石英材料圆形窗口,准直透镜3安装于丝杆台11上,凸透镜401和平凸柱面透镜402通过立柱式镜头架安装,第一反射镜7和第二反射镜8安装于旋转台12和镜头座上,激光器1为Nd: YAG固体激光器(三倍频),出射激光的波长为355nm,出射激光的发散角度为5×10-4rad,准直透镜3、凸透镜401和平凸柱面透镜402均由熔融石英制成,准直透镜3、凸透镜401和平凸柱面透镜402上有SiO2和TiO2交替的多层膜,第一反射镜7和第二反射镜8上有介电镜涂层,准直透镜的焦距为100mm,凸透镜401的焦距为500mm。
一种冷场电子源的清洁方法,包括打开激光器1,设置总脉冲数为500个,单个脉冲持续时间为2ns,激光的功率密度为7MW/cm2,通过准直透镜3、第一反射镜7、第二反射镜8、凸透镜401和平凸柱面透镜402,将激光向电子源的针尖9引导照射,光束质量分析器6监测到经过准直的激光的光束发散角超出预设范围,调整准直透镜3的位置后,经过准直的激光的光束发散角进入预设范围,发现激光照射到CCD相机5上的激光斑图像的缺失的部分包括与针尖9的形状相对应的形状,但该缺失部分位于完整的激光斑图像的边缘部,轻微移动凸透镜401的位置后,与针尖9的形状相对应的缺失部分变大,但依然位于完整的激光斑图像的边缘部,轻微移动平凸柱面透镜402后,缺失部分位于完整的激光斑图像的中部,此时激光的聚焦光斑覆盖整个针尖9,激光已经聚焦在电子源的针尖上,吸附在针尖9上的污染物充分发生光致解吸,清洁完成后,用扫描电镜继续进行样品检测,图像清晰,噪声水平极低,采用本实施例的清洗方法,电子源针尖的寿命在10年以上。
实施例2
参照实施例1进行,其区别在于,冷场电子源的针尖为六硼化镧纳米线。清洁系统中,激光器1为Nd: YAG固体激光器(四倍频),出射激光的波长为266nm,出射激光的发散角度为9×10-4rad,清洁方法中,激光的功率密度为3MW/cm2。激光聚焦在电子源的针尖上并清洁完成后,用扫描电镜继续进行样品检测,图像清晰,噪声水平极低,采用本实施例的清洗方法,电子源针尖的寿命在10年以上。
实施例3
参照实施例1进行,其区别在于,清洁方法中,设置总脉冲数为300个。激光聚焦在电子源的针尖上并清洁完成后,用扫描电镜继续进行样品检测,发现图像清晰度良好,有少量噪声,再次进行300个脉冲的清洗后,用扫描电镜继续进行样品检测,图像清晰,噪声水平极低,采用本实施例的清洗方法,电子源针尖的寿命在10年以上。
实施例4
参照实施例1进行,其区别在于,清洁方法中,设置总脉冲数为700个。激光聚焦在电子源的针尖上并清洁完成后,用扫描电镜继续进行样品检测,图像清晰,噪声水平极低,采用本实施例的清洗方法,电子源针尖的寿命在8年以上。
实施例5
参照实施例1进行,其区别在于,清洁方法中,激光的单个脉冲持续时间为0.8ns。激光聚焦在电子源的针尖上并清洁完成后,用扫描电镜继续进行样品检测,发现图像清晰度良好,有少量噪声,再次进行清洗后,用扫描电镜继续进行样品检测,图像清晰,噪声水平极低,采用本实施例的清洗方法,电子源针尖的寿命在10年以上。
实施例6
参照实施例1进行,其区别在于,清洁方法中,激光的单个脉冲持续时间为6ns。激光聚焦在电子源的针尖上并清洁完成后,用扫描电镜继续进行样品检测,发现图像清晰,噪声水平极低,采用本实施例的清洗方法,电子源针尖的寿命在8.5年以上。
对比例1
冷场电子源的针尖为锥形钨。
采用烧洗的方法清洁电子源的针尖,从针尖基端处连接导线形成闭合回路,给针尖施加电流以加热针尖,电流强度10安培,加热时间1s,针尖温度达到约2500K,结束烧洗过程后用扫描电镜继续进行样品检测,发现图像清晰,噪声水平极低,采用本实施例的清洗方法,电子源针尖的寿命在1年左右。
对比实施例1~6和对比例1,可以得知采用本发明的冷场电子源的清洁方法,能够延长电子源的寿命。对比实施例1和实施例3~6,控制适宜的激光总脉冲数和单个脉冲持续时间,有利于在保证光致解吸和针尖清洗效果的同时,防止损伤针尖,延长电子源针尖的寿命。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种冷场电子源的清洁方法,其特征在于,所述方法包括:
使激光引导照射至电子源的针尖(9)上,使吸附在所述针尖(9)上的污染物发生光致解吸,所述电子源位于真空腔(10)内,所述引导照射包括依次进行的准直和聚焦;
实时测量所述电子源的针尖温度,所述针尖温度超过预设的阈值时,调低所述激光的功率密度至所述针尖温度不大于所述预设的阈值;
使用CCD相机(5)实时监测所述激光在所述电子源的针尖(9)上的聚焦情况,所述激光未聚焦在所述针尖(9)上时,调节用于引导照射所述激光的光路组件,使得所述激光聚焦在所述针尖(9)上,所述CCD相机(5)位于所述针尖(9)远离聚焦所用透镜的一侧。
2.根据权利要求1所述的清洁方法,其特征在于,所述激光在照射到所述CCD相机(5)上的过程中,所述激光未被障碍物遮挡时,所述CCD相机(5)上的成像为第一激光斑图像,所述激光被障碍物遮挡时,所述CCD相机(5)上的成像为第二激光斑图像,所述聚焦情况的监测方法为:所述激光聚焦在所述针尖(9)上时,相比所述第一激光斑图像,所述第二激光斑图像缺失的部分包括与所述针尖(9)的形状相对应的形状,同时,所述第一激光斑图像具有边缘部和中部,缺失的与所述针尖(9)的形状相对应的形状位于所述第一激光斑图像的中部。
3.根据权利要求1所述的清洁方法,其特征在于,所述激光的波长为250nm~370nm,单个脉冲持续时间为1ns~5ns,总脉冲数为300个~700个,功率密度为2.5MW/cm2~7.5MW/cm2。
4.根据权利要求3所述的清洁方法,其特征在于,所述激光的总脉冲数为400个~600个,单个脉冲持续时间为1ns~3ns;
所述针尖为锥形钨时,所述激光的波长为340nm~370nm,功率密度为6.5MW~7.5MW,所述针尖为六硼化镧纳米线时,所述激光的波长为250nm~280nm,功率密度为2.5MW~3.5MW。
5.根据权利要求1所述的清洁方法,其特征在于,实时检测经过所述准直的所述激光的激光参数,所述激光参数超出预设范围时,调整准直所用准直透镜(3)的位置,所述激光参数包括光束发散角、束宽度和光束质量因子M2中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的清洁方法,其特征在于,所述引导照射还包括所述准直和所述聚焦之间的反射;
所述激光未聚焦在所述针尖上时,调节准直所用准直透镜(3)的位置和/或反射所用反射镜的角度和/或聚焦所用透镜的位置。
7.根据权利要求1所述的清洁方法,其特征在于,所述聚焦包括使激光依次透过凸透镜(401)和平凸柱面透镜(402)。
8.用于权利要求1-7任一项所述的冷场电子源的清洁方法的清洁系统,其特征在于,所述系统包括:
光路组件,其包括依次设置的激光器(1)和沿激光光路方向依次设置的电光调制器(2)、准直透镜(3)和聚焦透镜(4),所述电光调制器(2)调整所述激光器(1)发出的激光的功率密度,所述聚焦透镜(4)位于电子源的针尖(9)的一侧;
CCD相机(5),其位于所述针尖(9)远离所述聚焦透镜(4)的一侧,所述CCD相机(5)监测激光在所述针尖(9)上的聚焦情况;
红外热像仪,所述红外热像仪测量所述针尖(9)的温度。
9.根据权利要求8所述的清洁系统,其特征在于,所述光路组件还包括光束质量分析器(6),沿激光光路方向,所述光束质量分析器(6)位于所述准直透镜(3)和所述聚焦透镜(4)之间,所述光束质量分析器(6)用于检测经过准直的激光的激光参数。
10.根据权利要求8所述的清洁系统,其特征在于,所述光路组件还包括反射镜,沿激光光路方向,所述反射镜位于所述准直透镜(3)和所述聚焦透镜(4)之间,所述反射镜至少包括第一反射镜(7)和第二反射镜(8),所述激光器(1)、电光调制器(2)、准直透镜(3)和第一反射镜(7)位于冷场电子源所属扫描电镜或电子束光刻机的防振平台上,所述第二反射镜(8)靠近所述聚焦透镜(4)设置。
11.根据权利要求8所述的清洁系统,其特征在于,所述聚焦透镜(4)包括依次设置的凸透镜(401)和平凸柱面透镜(402),所述平凸柱面透镜(402)靠近所述电子源的针尖(9)设置。
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