CN1222980C - 带电粒子束设备的光学柱 - Google Patents

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Abstract

一种用于检查样品(14)的带电粒子束设备的小型化光学柱。该柱包括一个带电粒子源(2)，用于提供一个带电粒子束(10)；一个透镜系统，用于引导带电粒子束(10)自源(2)到样品(14)上；及一个外罩(40)，在运行期间该外罩被置为束流加强电位。

Description

带电粒子束设备的光学柱
技术领域
本发明涉及一种使用一束带电粒子检查样品的设备。具体地本发明涉及一种用于带电粒子束设备的小型化光学柱。
背景技术
带电粒子束设备例如扫描和传输或微探头设备(只提及其中几个)是很有用的仪器，它们用于观察异源有机和无机材料和它们的表面并且将它们特征化。在这些仪器中，准备被检查的表面被带电粒子束幅照，该带电粒子束可能是静止的或通过光栅扫过样品表面。取决于具体应用，该带电粒子束是或多或少被聚焦的，并且这些粒子的动能变化很大。
当带电粒子打击在样品表面上时，所产生的各种类型的信号包括二次电子、反向散射电子、Auger电子、特征x射线和不同能量的光子。这些信号从样品内的具体发射容积中获得，并且能够用于检查样品的许多特性例如成分、表面拓朴结构、晶体学等。
近来尝试将带电粒子束设备小型化。因此能够把数个这类设备组合在一起以便同时检查样品的较大面积，或者它们能够被安装于对空间约束严格的生产线上。此外，由于粒子束设备的球形像差和色差与它们的几何尺寸成正比，只要电位保持恒定，小型化设备就能提供一个给定光点尺寸的较高空间分辨率和高束流。
一般而言，大多数当今的带电粒子设备的高度是0.5至1.2米及平均直径大约是15cm-40cm。与此不同的是，开发商的目的在于生产小于10cm及其平均直径约为4cm的束流设备。然而，由于现代带电粒子束设备是复杂的技术仪器，具有完善的真空系统、准直机构和电子控制单元，它们的几何尺寸无法简单地按比例缩小，只要有可能已经都尝试过了。
在低电压应用中，通过使用一种称为束流增强器，能够显著地提高标准带电粒子束设备的性能。它将显微镜的光学柱内的带电粒子加速至高动能并且在它们打击样品之前将它们减速。大多数情况下该减速步骤是在带电粒子经过物镜时执行的。
一般而言，通过将被加至一个高的加速电位的电极置于柱中束流周围，从而进行束流加速。在有些显微镜中隔离阀位于带电粒子源和样品腔或任何其他被安排于带电粒子束光柱周围的导电部件之间，这些部件也被加至加速电位。相应的屏蔽电极、阀门或其他导电部件需要与接地的柱外罩绝缘。通常瓷用作绝缘材料。这些绝缘器的两端被折叠或配备有槽以便增加爬电距离。然而，在小型带电粒子束柱中，这类绝缘是不合适的。
发明内容
本发明意在提供一种改进的使用带电粒子束来检查样品的设备。根据本发明的一个方面，提供一种用于检查样品的带电粒子束设备的小型化光学柱，包括：带电粒子源，用于提供一个带电粒子束；透镜系统，用于把带电粒子束从所述源引导到所述样品上，其特征在于，所述小型化光学柱还包括小型化光学柱的外罩，其中在运行期间所述外罩被置为束流加强电位。
通过将小型光学柱的外罩设置为束流加强电位，能够省略各部件之间绝缘器的复杂安排，这些部件在运行期间或被接地或被接至束流加强电位。复杂性来源于柱内减少的空间，必须在绝缘器两端处形成长的爬电路径之外还要使绝缘器小型化。另一个优点是不再需要用于屏蔽束流路径的特殊电极(例如来自接地外罩的电位)。
此外，在现有技术设备中，某些绝缘器必须焊至金属上以便将该柱进行真空密封。绝缘器与金属之间的密封具有机械上的弱点，因为它必须补偿在柱的烘烤期间热处理所造成的机械应力，而这将影响柱的稳定性。
本发明的进一步优点、特征、方面和细节可在说明和附图中明显地看出。
一般而言，一个束流加强电位是一个加于束流源与样品之间某处的电位。束流加强所用部件的电位的绝对值只是次要的。对于束流加强而言，头等重要的是在带电粒子源与负责束流加强的部件之间建立一个电位差，以使粒子在它们经过柱通向样品的途中被加速至高速。该外罩一般用于容纳光学部件，这些光学部件用于引导和形成带电粒子束。通常它是由导电或导磁材料例如镍铁高导磁合金作成，用于屏蔽光学柱的内部以避免干扰电场和/或磁场。
根据本发明的另一个方面，该外罩包括一个阀门、偏转单元、检测器或被安排于束流路径附近的其他部件。这些部件中的哪些部件是需要的及它们在柱内如何具体安排，这些都在很大程度上取决于该设备意欲作何用途。如果这些部件被安排于束流路径附近因而使它们的电场对束流轨迹有负面影响，则它们最好被设置为束流加强电位。自然，这些部件的电位可以略微偏离束流加强电位；例如电偏转单元需要这些电位差别以便将束流偏转。
通过将尽可能多的部件与外罩一起保持在束流加强电位，能够显著地减少小型光学柱内的绝缘器的数量。因此，如果柱内有一定部件与外罩绝缘例如带电粒子源，则它仍然属于本发明的范围之内。
本发明在与小型电的和静磁的(具有永久磁铁)柱结合使用是有利的。这避免将用于驱动电线圈的电源单元置于束流加强电位并且达到柱的更稳定运行。
本发明也包括一种运行上述设备的方法。它包括用于执行该设备的每个功能的方法步骤。此外，本发明也包括一种用于执行所公开方法的设备和包括用于完成每一步描述的方法步骤的设备部件。这些方法步骤能够由硬件部件、由合适软件编程的计算机、两种或任何其他方式的任何组合来完成。
附图说明
在以下说明中部分地参照附图阐述本发明的某些以上所述的以及更详细的方面。其中：
图1显示本发明的一个带电粒子设备的光学柱，其中外罩被置为束流加强电位。
图2显示现有技术的一个带电粒子设备的光学柱。
图3显示根据本发明的一个带电粒子束设备的另一个实施例。
图4显示根据本发明的一个带电粒子设备的样品腔。
具体实施例
图2显示现有技术的一个带电粒子束设备。该带电粒子束设备1包括一个顶盖板20，在它上面安装一个带电粒子源2。用于向源2提供电源的线3穿过顶盖板连至电源。在电子束设备中，能够使用电子源例如Tungsten-Hairpin枪、Lanthanum-Hexaboride枪、场发射枪等。然而，本发明不限于电子源；它能够与所有类型的带电粒子源一起使用。在图2中所示现有技术实施例中一个提取器和一个抑制器4被安排于粒子源2之下。该提取器例如被置为低于束流加强电位的加速电位，用于把来自源的带电粒子吸引过来。与此相反，被安排于加速器与源之间的抑制器被设置为抑制电位以便限制被拉向提取器的粒子数量。以此方式，能够调节束流因而防止它变为过高。
在已经形成带电粒子束10及它离开源之后，一个电磁透镜、偏转线圈和象散校正器的系统用于在带电粒子束打到样品之前对它进行控制和修正。这些部件的具体安排在很大程度上取决于带电粒子设备的具体应用。在许多设备中，一连串两个或三个聚光镜(未示出)用于连续地将束流点缩小，主要用于在大的放大倍数下得到较好分辨率。一个象散校正器(未示出)是一个部件，用于控制由在样品上扫描的束流所形成光点圆度的任何失真。不圆的束流点将会在观看用的监视器上在一个方向内产生被涂污的图象。如果需要，可在光学柱内安排一个扫描单元(未示出)。例如，由一个由扫描发生器产生的可变电压将一组小线圈加以激励并且建立一个磁场，用于以一种称为光栅的受控模式将带电粒子束前后偏转。该光栅非常类似于电视接收机中的光栅。
柱之内或之下的称为物镜的最后透镜通过在沿着柱的光学轴(z轴)的方向内控制截面的移动而将图象聚焦。在图2中，一个静电透镜12被安排于柱之下。然而，在许多应用中，使用一个其中通过可控制电流I的磁透镜。由于控制电流大，有时需要冷却。
当束流10的粒子打击样品14表面时，它们经受一系列与样品的原子核和电子的复杂反应。这些反应产生不同二次产物，例如不同能量的电子、X射线、热和光。许多这些二次产物用于产生样品图象并且从中收集附加数据。用于收集二次产物的检测器或者能够围绕光学柱环行地安排，或者沿一侧安排。图2显示一个盘状收集器16，在其中心有一个小孔，以便让一次束流在从源2打向样品14时通过。在此实施例中，检测器安装于一个光导17上，它通过外罩18并且将该检测器连至一个图象电子线路(未示出)。由二次产物打击在检测器16上而产生的光脉冲被引至外罩18外并且用于形成最后图象。
具体地，在低压应用中，能够使用束流增强器来显著地增加带电粒子束设备的性能。该束流增强器促使带电粒子以高速穿过光学柱，然后在它们打击样品之前减慢下来。束流中的这些粒子具有不同动能，因此也有不同波长。不同波长促使这些粒子被聚焦于不同点上，从而使图象模糊。带电粒子的动能差值与平均动能之比ΔE/E影响到该图象对不准焦点的范围。由于动能变动ΔE在很大程度上独立于粒子的总动能E，能够通过使带电粒子以相对高的速度进入物镜，然后在它们打击样品之前进行减速，从而减少透镜的缺陷。
带电粒子设备的通常光学柱内的束流增强是使带电粒子在高电位下从源通向物镜而得到实现的。这是通过将束流路径与所有具有与束流加强电位显著不同电位的导电部件进行屏蔽而实现的。在图2中所示实施例中，屏蔽电极30将束流路径与接地外罩18进行屏蔽，如果需要则也与一般处于接地电位的束流准直线圈进行屏蔽。对于屏蔽电极30，通常使用一个所谓衬筒。在柱的较低部分，屏蔽电极32例如将束流路径与接地外罩18进行屏蔽。在该柱的中心部分安排了一个阀门单元6、8。它将枪腔中的真空与样品腔中的较差真空隔离开(见例如图4)。此外，它允许通过关闭安装于保持单元6上的滑动阀门8来置换样品而不破坏枪腔中的真空。这些滑动阀门8和保持单元6也被置于束流加强电位，以使它们不会破坏束流路径周围的电场。然而应该注意到，取决于光学柱或应用场合的具体设置，并不始终需要阀门单元。
在现有技术所用的一些设备中，处于束流加强电位的屏蔽电极和所有其他部件被连在一起以便形成单个围绕束流路径的内部通道。其结果是很好地将束流路径与干扰场进行屏蔽。
一般而言，上述部件，屏蔽电极30(或衬筒)，阀门单元6、8，屏蔽电极32不必固定于接地外罩18上。这要求在外罩与这些部件之间进行绝缘。用于将束流加强的电位的差别一般高于1kV。因此，绝缘器34、36、38必须适合于高压差别。
外罩18连至样品腔22的壁，它只部分地显示于图2中。由于安全原因，外罩是接地的。外罩所用材料通常是导电和导磁的，以便将内部与干扰电场和磁场进行屏蔽。
图1显示本发明的一个实施例。其中相同参考数字表示对应部件。在设备运行期间被置于束流加强电位的带电粒子束设备1及其外罩40包括一个带电粒子源2，以及一个加速器和一个抑制器4。粒子源2的电源线3穿过顶盖板20。位于粒子源2之下的抑制器和加速器单元用于调节束流。用于引导束流的透镜系统、象散校正器、偏转线圈等没有显示于图1中。只有用于将光学柱隔离为具有不同真空级别的两段的阀门单元6、8(在需要时)连至外罩40并且被置于束流加强电位。因此，阀门单元6、8不需要绝缘器，以及保持单元6和滑动阀门8的电场不会干扰在柱中占主导地位的束流加强电位。
检测器16位于束流路径内以便收集二次产物。它或者通过沿着光导17的导电连接或者通过任何其他被安排于检测器和外罩之间的导电连接或者通过其他导电部件被维持于束流加强电位。
应该注意到，并不是所有光学柱都需要阀门单元6、8。此外，该检测器并不始终必须位于束流路径中。它能够位于一侧或甚至在外面和在光学柱之下，例如在传输显微镜中。如果在具体应用中需要将一个光学部件安排靠近束流路径，则最好将它保持为束流加强电位。一个部件的可能干扰影响取决于其尺寸、其与束流路径的距离、所用材料及带电粒子束设备运行期间它的电位。这允许人们估计在多大程度上需要将相应部件置于束流加强电位。然而最好将所有可能有干扰作用的部件都置于束流加强电位。
图1显示一个静电物镜12，它有三个电极位于带电粒子束设备的外罩下面。在优选实施例中，上部电极被维持于束流加强电位。中部电极用于将来自源的带电粒子聚焦于样品上。与此同时，此电极在带电粒子打击样品之前将它们减速。下部电极主要用于控制，例如它为来自源的二次粒子调整提取电场。这三个电极的使用并不是必要的，原则上只要一个电极就够了。然而，这将限制用于调节物镜聚焦性能的可选性。
顶盖板20连至外罩40，因此被置于束流加强电位。用于向带电粒子源2提供电源的线3和源本身一般不处于束流加强电位。在一侧的顶盖板20与另一侧的线3和源2之间提供隔离。选代地，有可能将顶盖板20维持于带电粒子源2的电位，然而这时需要在外罩40与顶盖板20之间提供隔离。
外罩40和顶盖板20被处于接地电位的盖42和顶盖46所包围。一层绝缘层48被提供于外罩40和盖42之间以及顶盖板20和顶盖46之间。该绝缘层可以是一种具有不同厚度或足够大气隙的绝缘材料。具体地，在后一种情况下，最好将顶盖板20打圆角以便减少放电的可能性。此外，在线3和顶盖46之间提供绝缘。
图3显示现有技术的图2的带电粒子束设备，但没有绝缘器。屏蔽电极30和32直接与外罩40相连并且处于束流加强电位。取决于具体应用，象散校正器、偏转线圈和任何其他部件可以安排在它们后面。然而应该注意到，并不必须将这些部件安排于屏蔽电极之后。光学柱被盖42和盖板46包围。有利的是，所有位于源2与物镜之间的部件都处于束流加强电位。
有可能将吸气材料放置靠近带电粒子源以使枪腔的真空度更高。取决于确切位置，吸气材料或置于束流加强电位或置于带电粒子源的电位。选代地，可以在柱外安排一个抽气泵，而使用一根管子连接该泵与枪腔。自然，在运行中该伸入枪腔的管端最好被置于束流加强电位。或穿过外罩40或穿过盖42的管的各部分需要相应地绝缘。这可以在它们的接口处使用绝缘层和/或具有绝缘材料的法兰盘。
图4显示连至样品腔22的光学柱的下部。一般而言，该样品腔具有一个单独的真空泵(未示出)，用于将该腔抽真空。为避免泄漏，一个密封件44例如o环被置于盖42与样品腔之间。取决于该壁的具体设置，一种选代的或附加的密封件能够被置于外罩40与盖42之间。

Claims (32)

1.一种用于检查样品(14)的带电粒子束设备的小型化光学柱，包括：
带电粒子源(2)，用于提供一个带电粒子束(10)；
透镜系统，用于把带电粒子束(10)从所述源(2)引导到所述样品(14)上，其特征在于，所述小型化光学柱还包括
小型化光学柱的外罩(40)，其中在运行期间所述外罩被置为束流加强电位。
2.根据权利要求1的光学柱，其中
该外罩包括一个安排于所述粒子源与一个物镜之间的阀门，
其中在运行期间所述阀门被置为束流加强电位。
3.根据权利要求1的光学柱，其中
该外罩包括一个偏转单元，用于将带电粒子束在样品上扫描，
其中在运行期间所述偏转单元被置为束流加强电位。
4.根据权利要求2的光学柱，其中
该外罩包括一个偏转单元，用于将带电粒子束在样品上扫描，
其中在运行期间所述偏转单元被置为束流加强电位。
5.根据权利要求1的光学柱，其中
该外罩包括一个检测器，用于收集由于带电粒子束打击在样品上而产生的粒子或光子，
其中在运行期间所述检测器被置为束流加强电位。
6.根据权利要求2的光学柱，其中
该外罩包括一个检测器，用于收集由于带电粒子束打击在样品上而产生的粒子或光子，
其中在运行期间所述检测器被置为束流加强电位。
7.根据权利要求3的光学柱，其中
该外罩包括一个检测器，用于收集由于带电粒子束打击在样品上而产生的粒子或光子，
其中在运行期间所述检测器被置为束流加强电位。
8.根据权利要求4的光学柱，其中
该外罩包括一个检测器，用于收集由于带电粒子束打击在样品上而产生的粒子或光子，
其中在运行期间所述检测器被置为束流加强电位。
9.根据权利要求1的光学柱，其中
该外罩还包括被安排于带电粒子束周围的部件，
其中在运行期间所述部件被置为束流加强电位。
10.根据权利要求2的光学柱，其中
该外罩还包括被安排于带电粒子束周围的部件，
其中在运行期间所述部件被置为束流加强电位。
11.根据权利要求3的光学柱，其中
该外罩还包括被安排于带电粒子束周围的部件，
其中在运行期间所述部件被置为束流加强电位。
12.根据权利要求4的光学柱，其中
该外罩还包括被安排于带电粒子束周围的部件，
其中在运行期间所述部件被置为束流加强电位。
13.根据权利要求5的光学柱，其中
该外罩还包括被安排于带电粒子束周围的部件，
其中在运行期间所述部件被置为束流加强电位。
14.根据权利要求6的光学柱，其中
该外罩还包括被安排于带电粒子束周围的部件，
其中在运行期间所述部件被置为束流加强电位。
15.根据权利要求7的光学柱，其中
该外罩还包括被安排于带电粒子束周围的部件，
其中在运行期间所述部件被置为束流加强电位。
16.根据权利要求8的光学柱，其中
该外罩还包括被安排于带电粒子束周围的部件，
其中在运行期间所述部件被置为束流加强电位。
17.根据权利要求中1-16任何一项的光学柱，其中
外罩(40)由一个被置为接地电位的盖(42)所包围。
18.权利要求17的光学柱，其中一层绝缘层(48)被安排于所述盖(42)与所述外罩(40)之间。
19.根据权利要求中1-16任何一项的光学柱，其中只有静电部件被使用于外罩内。
20.根据权利要求17的光学柱，其中只有静电部件被使用于外罩内。
21.根据权利要求18的光学柱，其中只有静电部件被使用于外罩内。
22.根据权利要求中1-16任何一项的光学柱，其中永久磁部件被使用于外罩内。
23.根据权利要求18、20或21任何一项的光学柱，其中永久磁部件被使用于外罩内。
24.根据权利要求17的光学柱，其中永久磁部件被使用于外罩内。
25.根据权利要求19的光学柱，其中永久磁部件被使用于外罩内。
26.根据权利要求中1-16任何一项的光学柱，其中一个用于在带电粒子打击样品之前将带电粒子减速的电极被安排于样品之上。
27.根据权利要求17的光学柱，其中一个用于在带电粒子打击样品之前将带电粒子减速的电极被安排于样品之上。
28.根据权利要求18、20或21的光学柱，其中一个用于在带电粒子打击样品之前将带电粒子减速的电极被安排于样品之上。
29.根据权利要求19的光学柱，其中一个用于在带电粒子打击样品之前将带电粒子减速的电极被安排于样品之上。
30.根据权利要求22的光学柱，其中一个用于在带电粒子打击样品之前将带电粒子减速的电极被安排于样品之上。
31.根据权利要求23的光学柱，其中一个用于在带电粒子打击样品之前将带电粒子减速的电极被安排于样品之上。
32.根据权利要求24或25的光学柱，其中一个用于在带电粒子打击样品之前将带电粒子减速的电极被安排于样品之上。
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