CN1658331B - 可选择射束电流和能量分布的粒子源以及粒子- 光学装置 - Google Patents

可选择射束电流和能量分布的粒子源以及粒子- 光学装置 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种能够进行能量选择的粒子源。能量选择是通过使带电粒子束(13)偏心通过透镜(6)。由于这种方式，在经透镜(6)所形成的像15内出现能量扩散。通过将像(15)投射到光阑(7)上，可仅允许能谱内有限部分的粒子通过。因此，通过的射束(16)具有减小的能够分布。通过增设偏转单元(10)，该粒子束(16)能够向光轴偏转。还可选择向光轴偏转通过透镜(6)中央的(例如具有较大射束电流的)射束(12)。

Description

可选择射束电流和能量分布的粒子源以及粒子- 光学装置
技术领域
本发明涉及一种粒子源以及设有所述粒子源的粒子-光学装置。
背景技术
S.Uhlemann和M.Haide在2002年9月1日到6日在南非德班召开的“第十五届国际电子显微学大会”会议5/S14的会议论文集中发表的“用于200kv TEM的全静电单能化器的实验装置”描述了用于粒子-光学装置内的粒子源：该粒子源为产生至少一束带电粒子而实现，该粒子源中设有：一个用以发射带电粒子的粒子发射面；一个用以形成粒子发射面的像的透镜；一个用以限制所述粒子束的限束光阑；以及一个位于所述像处的能量选择光阑。
该文献所描述的粒子束具电子源的形态，可用在例如电子显微镜这样的装置中，并用于提供小能量分布(energy spread)电子束。例如，在电子显微镜中，最好使用小能量分布的电子束，这是因为所用的电子-光学透镜于是会引起较小的色散，从而可获得更高的分辨率。
色散一般是由对于不同能量的粒子，透镜所具有的光焦度不同所引起的。一般来说，透镜(静电透镜或磁透镜)对于低能粒子的焦距小于对于高能粒子的焦距。色散正比于粒子束中粒子的能量分布。因而能量分布越小，所导致的色散越小。
在现有电子源中，电子发射面产生的电子束由具有限束光阑的透镜，以将电子发射面成像到限束面上的方式进行聚焦。在透镜和像之间，电子束通过第一偏转单元偏转。
如技术人员所知，低能粒子被电偏转场或磁偏转场所偏转的范围大于高能粒子。因此，这种偏转的结果是出现空间能量扩散。由于这种能量扩散，透镜形成的像是一条色散线，该色散线是不同能量的粒子的点聚焦的集合，由此，特定能量的电子将在色散线上有一个相应的位置。
通过垂直于色散线(垂直于能量扩散出现的方向)设置选择狭缝，该狭缝只允许色散线部分通过，由于在通过的部分内只存在原始能谱的特定能量区间内的电子，因而通过的电子束的能量分布减小。
随后，通过第二偏转单元，将电子束再次偏转回去，使通过的电子束沿被第一偏转单元偏转前的电子束方向传输。由于选择第一和第二偏转单元对称，可消除由第一偏转单元引起的能量扩散。
现有的粒子源结构比较松散。本发明的目的是提供一种结构紧凑的粒子源。
发明内容
为此，本发明的粒子源的特征在于，限束光阑以能够使粒子束偏心通过透镜的方式实施。
本发明通过使用不通过透镜中央部分而通过透镜偏心部分的粒子束，可以获得所需的能量扩散。
由于粒子束偏心通过透镜，粒子束中的低能粒子与透镜光轴的交点与高能粒子相比更靠近透镜。结果是点状物体经透镜所成的像不是圆形像(如果粒子束通过透镜的中心将是这种情况)，而是色散线。通过在色散线位置放置能量选择光阑，该光阑只允许色散线的一部分通过，相对于粒子束原有的能量分布，通过的粒子束的能量分布将减小。
透镜所成的像是一条色散线，利用能量选择光阑允许该色散线的一部分通过。通过在弥散方向给定能量选择光阑的尺寸，该尺寸大约等于色散线的宽度，通过的粒子束由一个表观上正方形的像发出。该表观像(apparent image)将作为后续光学元件的物。虽然，通常使用圆形像作为后续光学元件的物，但正方形足以作为更常用的圆形物的近似。
借助于偏心粒子束的像形成在光轴外。这是由透镜的球面像差引起的，球面像差的特征是对于远离透镜中心通过透镜的粒子束，透镜所具有的光焦度大于通过透镜中心位置部分的粒子束。因为粒子发射面的像形成在透镜的光轴外，能量选择光阑也不必设置在光轴上。
应该指出，限束光阑可放在透镜的前面、内部或后面。当偏心粒子束穿过透镜时，不对它进行上述限束也无妨。重要的是最后形成偏心粒子束的粒子通过透镜的偏心部分。
在本发明的粒子源的另一实施例中，限束光阑还实施为允许通过透镜中央的粒子束通过。
例如，在电子显微镜中使用粒子源时，通常需要能够选定粒子束的属性，例如，在一种观测状态，需要粒子束具有相对大的射束电流而不需要将能量减小，在另一观测状态，需要具有减小的能量分布的粒子束而不需要大的射束电流。因而，粒子源能够根据需要来产生这两种类型的粒子束是十分有利的。
这时，利用还允许除偏心粒子束以外的具有相对较大射束电流的中心粒子束(即通过透镜中央的粒子束)通过，来满足这种需求。通过选择中心粒子束的限束光阑的光阑开口大于偏心粒子束的限束光阑的光阑开口，来实现相对大的射束电流。当然，由于光阑开口的半径越大，意味着粒子束的孔径角越大，因而射束电流越大。
应该指出，对于这种中心粒子束，由于未形成具有空间能量扩散的色散线，因而没有能量的减小。从而，在使用中心粒子束的情况下，不必使用能量选择光阑开口。然而，面对偏心粒子束的能量选择光阑的空间范围则应该进行选择，以允许中心粒子束无干扰地通过。如前面所解释的，这是可以实现的，由于偏心粒子束所形成的像不在光轴上，因而偏心粒子束的能量选择光阑不必延伸到光轴。
虽然中心粒子束产生的像(在透镜激励的情况下)会比由偏心粒子束形成的像更靠前，但是如果需要，可通过轻微地改变透镜的光焦度来对此效应作出修正。
在又一实施例中，本发明的粒子源提供有偏转单元，该偏转单元实施为将一束带电粒子向光轴偏转，通过这种方式，该粒子束可进一步在光轴附近传输。
如果需要具有不同射束电流以及能量分布属性的不同粒子束，本实施例特别有用。粒子束可包括中心粒子束以及一束或多束偏心粒子束。这可通过同时使用若干限束光阑和若干能量选择光阑加以实现。所需的射束电流差异，通过选择不同的限束光阑的限束开口的直径来实现；而所需的能量分布差异，通过选择不同的能量选择光阑的光阑开口的直径来实现。
例如，当在电子显微镜中使用本发明的粒子源时，一束粒子束被选定。最好对选定的粒子束进行适当控制，使它处在后续的已知光学元件的光轴附近。这可通过在能量选择光阑附近设置偏转单元来实现。偏转单元将所选定的粒子束向光轴偏转，而其它未被选定的光束没有被偏转到光轴附近位置。未被选定的粒子束可被设置在该偏转单元后面的光阑所阻挡。
应该指出，该偏转单元和透镜可实施为静电形式或磁形式。由于利用电场比利用磁场更容易聚焦和偏转离子，所以当粒子源是离子源时，采用纯静电方法更有利。另外，静电透镜一般比磁透镜产生更大的色散，在这种情况下，静电方式实施的透镜的(预期)能量扩散大于磁方式实施的透镜的能量扩散。
在再一实施例中，离子发射面是由若干非并置粒子发射组成面构成的形式。
本实施例的优点是：利用本实施例可在远离光轴(以使偏心光阑开口不再被设置在光轴的粒子发射表面所照射)的位置形成通过透镜的粒子束。这是因为粒子放射表面一般只在有限的孔径角内发射粒子。
为了使像形成在与粒子束穿过光轴的位置基本相同的位置，通过限束光阑的粒子束应该是基本平行的粒子束。上述情况可通过下面的方式实现，即在各粒子发射组成面的附近设置辅助透镜，使粒子发射组成面位于该辅助透镜的焦面上。
应该指出，粒子发射组成面不仅可设置在另一位置，还可设置在相对于光轴的另一方向，也就是以至使粒子束不对于一个平行于光轴的轴对称。
附图说明
在附图的基础上进一步描述本发明，相同的附图标记代表相应的部件。
图1是本发明粒子源的剖面示意图。
图2是本发明粒子源中所使用的光阑的正视图，光阑切有允许中心粒子束通过的光阑出口，还设置有允许偏心光束部分通过的能量选择光阑开口。
图3表示本发明的粒子束，其中粒子发射表面采用若干非并置的粒子发射组成面的形态。
具体实施方式
图1以剖面方式示意表示本发明的粒子源。粒子发射面(例如电子场发射源的电子发射面)1位于光轴2上。该电子发射面1发出的电子束11经具有圆孔形的限束光阑开口4和5的光阑3分成中心粒子束12和偏心粒子束13。粒子束12和13都经设置在光轴2上的透镜6聚焦。电子发射表面1由透镜6成像，该电子发射表面1经粒子束12形成像14，经粒子束13形成像15。能量选择光阑开口9位于光阑7上，光阑7上还设有切口8，以允许中心粒子束12通过。在粒子束13通过光轴的位置附近设置有偏转单元10，该偏转单元10将光轴2附近的粒子束(12、13)中的一束粒子束偏转。
电子发射表面1向粒子束11发射电子。该粒子束11照射大致以光轴2为中心设置的光阑开口4和偏心设置的光阑开口5。光阑开口4和5由光阑3中的圆形切口实现。在粒子源为场发射源的情况下，该光阑3还可作为抽取电极(extraction electrode)，由此在光阑3和电子发射表面1之间形成电势差。光阑开口4和5的大小决定粒子束12和13中的射束电流。光阑开口5的偏心度决定的偏心粒子束13的能量扩散。
位于光轴附近的光阑开口4所形成的中心粒子束12经透镜6聚焦，形成电子发射表面1的像14。类似地，偏心粒子束13被聚焦，形成电子发射表面的像15(色散线)。
图2是光阑7的正视图，该光阑7上切有光阑开口8、9，以允许中心粒子束12和偏心粒子束13通过。
图2是光阑7的正视图，也就是从光源一侧观察该光阑。中心粒子束12(位于光轴附近的粒子束置)穿过光阑开口8，该光阑开口8由光阑7上的切口所形成。
透镜6聚焦偏心粒子束13，由此在光阑7上形成电子发射表面1的像15。
由于透镜6的色散，电子发射表面1的像15在径向上延伸成色散线。结果，由于透镜6对高能电子的折射效应小于该透镜6对低能电子的折射效应，因而与能量低于标称值的的电子相比，高于标称值的电子被定位到远离光轴的位置。
这时仅允许偏心粒子束13部分通过，通过的粒子束16与入射到光阑7的粒子束13相比具有较小的能量分布。这通过光阑开口9的径向宽度小于像15径向宽度来实现。
例如，在电子显微镜内，电子源所形成的各种像最好大致为圆形。电子源的线状像会引起赝像。通过使光阑开口9的径向宽度与像15切向宽度大致相同，通过的粒子束16内的电子来自像15的近似正方形部分，该正方形部分足可近似地看作圆形。
因为像15的切线方向的宽度等于电子发射表面的尺寸(表观尺寸)乘以透镜的放大率，电子发射表面1经透镜6形成放大像是有利的。
光阑开口9最好让具有最大电子密度的那部分像15通过，这样可使通过粒子束16的射束电流最高。因而，像15最好可在光阑开口9上移动，例如在位于光阑7的电子源一侧的偏转单元的辅助下移动。
由于粒子束13偏心地通过透镜，在像15处共同形成色散线的点聚焦受到像散的影响。可通过消像散器消除这种像散现象。一个值得关注的实施例是将消像散器与偏转单元相结合，该偏转单元可用于在光阑开口9上移动粒子束13。
除使用偏转单元在光阑开口9上移动粒子束15以外还可采用其它方法，例如机械移动电子放射面1、透镜6或光阑7，或者对透镜6进行适度地散焦。
在像15处共同形成色散线的点聚焦还受到更多误差的影响，例如慧差、衍射等。对于透镜内的粒子束的偏心度已确定的情况，可通过适当地选择粒子束的发散角度将这些误差减少一定范围，使所得到的色散线在能量扩散的方向上的宽度远大于与其垂直的方向上的宽度。通过这种方式，在光阑开口9的辅助下，可实现有效的能量过滤。
例如，通过光阑7的粒子束12和16可使用已知技术聚焦到需要进行分析的样品上。因此，被聚焦到样品上的粒子束大致以光轴为中心通常是很重要的。可通过偏转单元10实现上述情况，该偏转单元通过适当的激励方式，能够偏转光轴2附近的粒子束16或粒子束12。
应该指出，尽管本发明仅描述了一束偏心粒子束的情况，但可通过在光阑3上切出若干偏心光阑开口，并在光阑7上切出若干能量选择光阑开口，形成若干偏心粒子束，由此偏转单元10偏转光轴附近的上述粒子束中的一束。
图3表示本发明的粒子源，其粒子发射面采用若干非并置的粒子发射组成面的形式。
图3表示N个粒子发射组成面1-1、…、1-N，这些粒子发射组成面均由1-i表示。各粒子发射组成面1-i(例如，为分散的电子发射场发射器形态)均产生各自的电子束11-i。各电子束11-i由其各自的限束光阑开口5-i进行限束。
该实施例的优点在于可在远离光轴2的位置处，形成通过透镜6的粒子束11-i，以使偏心光阑开口5-i不再被设置在光轴2上的粒子发射表面所照射。这是因为粒子放射表面一般只在有限的孔径角内发射粒子。
为了使像15-i形成在与粒子束13-i穿过光轴的位置基本相同的位置，入射到透镜6的电子束11-i应该是基本平行的电子束。上述情况可通过下面的方式实现，即在各粒子发射组成面1-i的附近设置辅助透镜17-i，使粒子发射组成面1-i位于附加透镜的焦面上。
应该指出，粒子发射组成面1-i不仅可设置在不同位置，还可设置在相对于光轴2的不同方向，也就是使粒子束11-i相对平行于光轴2的轴不对称。

Claims (5)

1.一种粒子源，所述粒子源做成能够产生至少一个带电粒子束(16)，并且所述粒子源设有：
一个用于发射所述带电粒子的粒子发射面(1)；
一个用于形成所述粒子发射面(1)的像(15)的透镜(6)；
一个用于限制所述粒子束的限束光阑(3)；以及
一个位于所述像(15)处的能量选择光阑(7)，
其特征在于，所述限束光阑(3)做成使所述带电粒子束(16)是偏心地通过所述透镜(6)的束。
2.如权利要求1所述的粒子源，由此所述限束光阑(3)做成还允许经过所述透镜(6)的中央的带电粒子束(12)通过。
3.如上述权利要求中任意一项所述的粒子源，其中，所述粒子源设有偏转单元(10)，所述偏转单元(10)做成朝向光轴(2)偏转所述带电粒子束(12、13)中的一束，以使该带电粒子束进一步在所述光轴(2)附近传播。
4.如权利要求1或2所述的粒子源，由此所述粒子发射面(1)具有若干非并置的粒子发射组成面的形式。
5.一种在其中使用如上述权利要求中任意一项所述的粒子源的粒子-光学装置。
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