CN1716512B - 配有恒磁材料透镜的粒子-光学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种粒子-光学装置，该装置配置成：在两个粒子-光学透镜系统(10、20)的辅助下聚焦带电粒子束(1)。透镜作用由磁场实现，该磁场由恒磁材料(13、23)产生。与装配有线圈的磁透镜相比，在磁透镜装配恒磁材料的情况下，不容易通过改变聚焦磁场来改变光焦度。在本发明的装置中，通过改变粒子束(1)穿过透镜系统(10、20)时具有的能量来改变透镜系统的光焦度。容易通过改变电源(14、24)的电压来实现这种情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种粒子-光学装置，所述装置配置成：
-在第一粒子-光学透镜系统和第二粒子-光学透镜系统的辅助下聚焦带电粒子束；
-在所述透镜系统中，至少部分透镜作用由磁场实现；
-所述磁场由恒磁材料产生。
美国专利US 6,320,194中公开了这种装置。
背景技术
目前上述装置尤其用于样品研究中。在用聚焦的带电粒子束照射样品的过程中，可通过各种方式获得信息，例如借助于样品中局部激发的二次粒子和辐射。通过利用检测器收集并处理这种信息，获得对该样品的特定物理性质的认识。因为粒子束可具有非常小的直径，能以高度的空间准确性确定这种信息的位置依赖性。
为了收集这种信息，最好能够改变粒子束参数，如样品位置处的粒子束电流、粒子束能量和粒子束直径。提供了这样的可能性：例如，首先例如在较高粒子束电流的辅助下在要探测的样品上定位一个显微小结构(microscopically small structure)，并随后利用另一粒子束能量或粒子束电流来研究该结构。
如本领域技术人员所知，粒子-光学装置中的粒子束由粒子-光学透镜系统聚焦。这种透镜系统中存在的磁场和/或电场对粒子束有聚焦作用。尤其是在粒子束由电子组成的情况下，通常使用磁透镜系统，因为使用这种透镜系统的过程中，透镜误差一般小于在使用静电透镜系统的情况下出现的透镜误差。目前，通过改变这种透镜系统的光焦度就有可能改变粒子束的参数。
这种磁透镜的光焦度是通过改变磁场的强度来改变的。为此，通常由电磁线圈产生磁场。产生磁场所必需的电流将在线圈内发散热。磁透镜系统的实际尺寸在很大程度上由线圈的大小和可能采用的任何冷却装置所需的空间确定。这些冷却装置(例如，水冷盘旋管)是限制散热的不良后果(例如，由于引导磁场的磁极片的温度改变而产生的机械变化)所必需的。
在磁透镜系统中使用恒磁材料产生磁场的优点是：可形成更紧凑的磁透镜系统，尤其是因为在这种情况下不出现散热。然而，当使用恒磁材料时，不可能以简单的方式改变磁场。
在粒子-光学装置领域，最好采用紧凑的粒子-光学装置。还需要灵活的粒子-光学系统，在这样的系统中可通过简单且快速的方式改变粒子束参数。
在所述的美国专利文献中，描述了一种设有粒子-光学镜筒(particle-optical column)的粒子-光学装置。这种镜筒包括电子源和装配有恒磁材料的会聚透镜系统。尽管不能直接从该专利文献中得出，但是将磁路的各部件以及样品电连接到地电位则是本领域技术人员习知的。电子源产生的电子束被加速到所要的能量。此后，使用磁透镜系统(即，会聚透镜系统和物镜系统)将电子束聚焦到样品上。通过使用扫描线圈(未图示)，聚焦的电子束在样品上移动，然后利用检测器检测因此而发生的辐射。
在该已知的装置中，通过至少使电子源和会聚透镜系统可机械调换(即，通过用另一电子源和另一会聚透镜系统代替该电子源和会聚透镜系统)来实现所要求的灵活性。如果要求使用另一粒子束参数进行检查，则一部分镜筒被具有其它光学属性的镜筒部分所代替。此外，还显示了如何通过对磁路(所谓“并联磁路”)进行机械调节并通过增加较小的线圈，来使磁场的精细控制成为可能。
所参照的所述美国专利文献内的电子源和会聚透镜的调换的确提供了所要求的粒子束参数的灵活性，但是当要求在较小时间范围内使用不同的粒子束参数照射样品时，这种方法就不太合适。所述调换方法是一种相对繁重的解决方法，因而与研究样品所需的时间相比，粒子束参数的变化需要的时间相当大。此外，在该已知装置中存在这样的风险：在(机械)调换电子源和会聚透镜系统后，不能充分获知粒子束相对样品的位置以能轻易地再定位到所述调换之前找到的样品的显微小结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有紧凑镜筒的粒子-光学装置，借此可通过简单且快速的方法改变粒子束参数。
为此，本发明的装置的特征在于：粒子束穿过第一透镜系统时所具有的能量不同于穿过第二透镜系统时所具有的能量。
本发明基于一种具有创造性的想法：可以不通过改变透镜系统的聚焦磁场，而通过改变粒子束穿过这些聚焦磁场时的能量，来实现所要求的透镜系统的灵活性。这是因为磁透镜系统的光焦度不仅取决于聚焦磁场，而且取决于聚焦磁场位置处的粒子束的能量。通过适当地选择粒子束穿过磁透镜系统时的能量，就可以调整光焦度。
粒子束穿过透镜系统时所具有的能量可通过以下方法改变：在粒子束穿过透镜系统之前，在静电场的辅助下加速或延缓粒子束。如本领域技术人员所知，在穿过引起延缓或加速的静电场地过程中，也将发生透镜作用。磁场和静电场的透镜作用共同决定粒子束参数。
在本发明的装置的另一实施例中，在穿过第一透镜系统过程的中，粒子束在被第一透镜系统包围的第一导电材料管内移动，并且在穿越第二透镜系统的过程中，粒子束在被第二透镜系统包围的第二导电材料管内移动。
这两个导电材料管决定了这些管内的粒子束的能量，并由此决定穿过聚焦磁场的粒子束的能量。这些管彼此电绝缘并且与地线电绝缘，以使它们能够携带不同的电压。
应该提到，这两个管必须由非可磁化材料制成，以使这两个管不能阻止聚焦磁场穿透而到达光轴。
如本领域技术人员所知，粒子束必须在真空中传播。所述管可作为真空屏障(vacuum barrier)，其中管内以真空为主导，管外主要为较高的压力(例如，大气压力)。
本实施例的优点是：产生磁场的恒磁材料和存在的任何磁极片(用于向粒子束引导恒磁材料产生的磁通量)位于真空的外面。这样，对磁极片材料和恒磁材料的真空兼容性(vacuum compatibility)就没有特别的要求。
在本发明装置的又一实施例中，各透镜系统装配有用以引导恒磁材料产生的磁通量的磁通量引导电路，各磁通量引导电路携带不同的电压。
在本实施例中，磁通量引导电路至少部分位于粒子束传播的真空中。磁通量引导电路包括可磁化材料的磁极片。通过将这些磁极片分别连接到相应的电压源上，这些磁极片决定粒子束穿过有关透镜系统的聚焦磁场时所具有的能量。
本实施例的优点是：通过使用磁极片引导磁场并决定粒子束的能量，可以制造非常紧凑的透镜系统。这种方法可以实现紧凑的粒子-光学装置。
本发明装置的又一实施例中，至少一个透镜系统的磁通量导引电路的部件之间常有电压差。
在粒子束穿过有关透镜系统的过程中，粒子束的能量发生改变。其结果是：相对在磁通量导引电路的部件之间没有施加电压差的情况，光焦度发生了改变。
本实施例的优点在于：例如，可以在磁极片中的一个上分配相对于地的固定电压，并且还可以改变透镜系统的光焦度。这对于最靠近要探测样品的磁极片特别具有吸引力。这是因为：对于例如二次电子的检测，经常希望样品和最靠近样品的磁极片接地。例如，当使用电子场发射器形式的电子源时，还可以将最靠近场发射器的磁极片作为抽取电极(extraction electrode)。
本发明装置的又一实施例中，通过以下方式相互选择这两个透镜系统的恒磁材料的磁化方向：使得在这两个透镜系统之间有一平面，在该平面中基本不存在平行于通过透镜系统中央的光轴的磁通量。
利用恒磁材料设计粒子-光学透镜系统的复杂性在于：由于使用恒磁材料，可能在透镜系统的外部出现散射场。如本领域技术人员所知，这种情况是安培定律的直接结果，该定律规定：在没有载流部分被包围时，闭合环路积分
Bds为零，式中B是磁场且s是(闭合)路径。为了消除这种不希望有的所述散射场的影响，习用的方法是通过利用可磁化材料包围粒子束来尽可能大地磁屏蔽粒子束。然而，由于这会导致更复杂的结构，这种利用可磁化材料包围的方法通常并不理想。因为这使得进入粒子束附近区域(例如，为了在该处设置并使用真空阀)变得更加困难了，所以也不合要求。
通过相对一透镜系统的磁化方向，适当地选择另一透镜系统的恒磁材料的磁化方向，可以利用第二透镜系统的散射场补偿第一透镜系统的散射场。通过这种方法，可在这两个透镜系统之间确定一平面，在该平面上不存在平行于光轴的磁通量通过这两个透镜系统的中央。因而，在该平面周围的空间内，可以在没有明显改变光轴上磁场的情况下，去除可磁化材料。这是因为如果没有磁通量，存在可磁化材料就并不很适合。
在透镜系统之间的空间内不存在可磁化材料使得将透镜系统相互电绝缘变简单了，因此可在透镜系统之间施加电压差。
若粒子-光学装置是样品定位在透镜之间的装置(如透射式电子显微镜(TEM)就是如此)，则还有另一优点。这时具有吸引力的是，将样品放在基本没有磁场的空间内，结果，样品和样品固定器(探针)的磁化不影响粒子-光学装置的成像信息。然而，最好对样品位置有良好的进入空间(spatial access)，以便能够在那里放置例如检测器和/或冷却装置。因为存在基本没有平行于光轴的磁通量通过这两个透镜系统中央的区域，所以很容易满足这两个要求。
附图说明
将在附图的基础上对本发明进行阐述，其中相同的附图标记表示相应的部件。
图1示意描述了本发明的粒子-光学装置，其中粒子束在管内流动。
图2示意表示了磁通量如何在两个透镜系统中流动。
图3示意表示了本发明的粒子-光学装置，其中磁极片处于某一电压。
具体实施方式
图1示意性描述了本发明的粒子-光学装置，其中粒子束在管内流动。
电子源2和要研究的样品3位于光轴5上。在电子源2和样品3之间设置第一透镜系统10和第二透镜系统20，透镜系统10和20关于光轴5旋转对称。
电子源连接到电源4，通过该电源4，电子源保持在相对于地的某一电压上。透镜系统10连接到电源14并保持在相对于电子源2的某一电压上。通过相同的方式，使用电源24将透镜系统20保持在相对电子源的某一电压上。
第一透镜系统10包括围绕光轴5设置的管15。围绕该管15设置恒磁材料的磁环13，其磁化的方向平行于轴5。磁极片11和12固定在该磁环13上，将磁环13产生的磁通量导向光轴5四周的区域17。在该区域17内，磁通量从一磁极片横穿到另一磁极片，并由此在光轴5附近产生磁场。因为磁极片11和12不允许被彼此磁连接(这种磁连接最终会造成恒磁材料的磁环13的磁短路)，所以除了区域17外磁通量还在区域16内从一磁极片横穿到另一磁极片。
通过相同的方式，第二透镜系统20包括围绕光轴设置的管25、恒磁材料的磁环23以及磁极片21和22，从而磁通量在区域26和27内从一磁极片横穿到另一磁极片。
管15和25通过绝缘体6彼此电绝缘，以使得在两个管间可存在电压差。
带电粒子束1(例如，电子束)从粒子源(例如，电子源2)沿光轴5发射。粒子束1被粒子源2和管15之间的由电源14产生的电压差加速。粒子束1被区域17内存在的透镜系统10具有的磁场所聚焦。由于管15和25之间的电压差，在从管15进入到管25的粒子束1的能量将发生变化。利用这种由电源24决定的能量变化，粒子束1将被区域27内存在的透镜系统20具有的磁场所聚焦。最后，粒子束1以某一着靶能量(landing energy)与样品3相交，该着靶能量由电源4决定。由此产生辐射(例如，二级电子)。该辐射可用检测器(未图示)检测。
在本实施例中，可以轻易地实现粒子束参数的变化。例如，当研究样品3过程中必须提高与样品3相交的粒子束1所具有的着靶能量时，这种情况可以通过提高电源4的电压轻易地实现。穿过透镜系统10和20的粒子束1的能量将不会由于电源4的电源的改变而改变，并且由此透镜系统10和20的磁场的聚焦作用也不会改变。
由于着靶能量的这种变化，存在的静电场的透镜作用可改变。这是因为磁场和电场共同决定粒子束参数。可通过轻微地改变电源24的电压，利用磁场(例如，透镜系统20)的聚焦作用的较小变化来补偿静电场透镜作用的这种改变。
同样，例如，在保持粒子束1与样品3相交时所具有的能量恒定的同时，可利用让透镜系统10更强地聚焦(通过降低粒子束的能量)并同时让透镜系统20更弱的聚焦(通过提高透镜系统20内的粒子束能量)，使粒子束参数发生改变。
通过改变电源24的电压并且由此改变粒子束穿过透镜系统20时所具有的能量，也可将粒子束1聚焦到样品3上。着靶能量将不会因为这种行为而改变。
应该提到，例如，也可以将电源14和24一方接地。只有存在于管15和25的电压是重要的。
图2示意显示了磁通量如何在两个透镜系统中流动。
在区域17中，磁通量从磁极片11横穿到磁极片12。由此产生的轴对称磁场产生所要求的透镜系统10的透镜作用。就透镜作用而言，磁场的极性并不重要。除了区域17，磁通量还横穿区域16。
同样地，在区域27内存在产生透镜系统20的透镜作用的磁场。这时磁场的极性也不重要。除了区域27，磁通量还横穿区域26。
通过选择透镜系统10和20的相互磁化作用，使区域16的磁通量的径向分量的方向与区域26的磁通量的径向分量的方向相同，可防止磁通量在透镜系统10和20之间横穿。由于没有在透镜系统10和20之间横穿的磁通量，也就不必在透镜系统之间设置可磁化材料来引导磁通量。因此，可以在透镜系统10和20之间的区域内实现较好的空间进入性(spatial accessibility)。若必须在该空间内设置并使用真空阀(未图示)时，则可利用这一优点。
应该提到，尽管在所述的附图中，由于使用相对于对称面7的镜面对称，易见在透镜系统10和20之间没有横穿的磁通量，但在不存在这种对称的实施例中，在透镜系统10和20之间也将存在没有磁通量横穿的平面。
可认为图3是从图1演变而成的，其中粒子束1的能量不是由图1所述的管15和20的电压决定，而是由磁极片11、12、21和22上所存在的电压决定。
电源14引起电子源2与磁极片11和12之间的电压差。由于这种电压差，穿过透镜系统10的聚焦磁场的粒子束的能量被确定。
此外，透镜系统20还具有电绝缘层28。由于该电绝缘层，可以向磁极片21提供不同于磁极片22的电压。通过将磁极片21连接到电源24并将磁极片22接地，借此实现粒子束穿过透镜系统20是所具有的(平均)能量由该电源和电源4决定的情况。由于磁极片22和样品3都接地，磁极片22和样品3之间的空间将不存在电场。后一种情况是有利的，因为该空间内的电场可能妨碍(或者至少复杂化)检测器(未图示)对辐射和带电的二级粒子的检测。
应该提到，尽管在图1和3中粒子束1在透镜系统10和20之间有一焦点，但一般并不是必需的。
Claims (4)
1.一种用于研究样品的粒子-光学装置，该装置配置成：
-在第一粒子-光学透镜系统和第二粒子-光学透镜系统的辅助下聚焦带电粒子束；
-在所述第一粒子-光学透镜系统和所述第二粒子-光学透镜系统中，透镜作用至少部分地由磁场实现；
-所述磁场由恒磁材料产生；
其特征在于：
-所述第一粒子-光学透镜系统包括第一管，以及所述第二粒子-光学透镜系统包括第二管，所述第一管和第二管分别围绕光轴设置，并通过绝缘体彼此电绝缘，使得在所述第一管和第二管之间存在电压差；
-由于所述第一管和第二管之间的所述电压差，粒子束穿过所述第一透镜系统时具有的能量不同于粒子束穿过所述第二透镜系统所具有的能量；
其中，在所述第一粒子-光学透镜系统和所述第二粒子-光学透镜系统中的恒磁材料的磁化方向通过以下方式进行相互选择：使得在这两个透镜系统之间有一个平面，在该平面上基本不存在平行于光轴的通过所述两个透镜系统中央的磁通量。
2.如权利要求1所述的粒子-光学装置，其中，所述粒子束在穿过所述第一透镜系统的过程中，在被所述第一透镜系统包围的、由导电材料组成的所述第一管内移动，并且在穿过所述第二透镜系统的过程中，在被所述第二透镜系统包围的、由导电材料组成的所述第二管内移动，所述第一管和所述第二管带有互不相同的电压。
3.如权利要求1所述的粒子-光学装置，其中，各所述的透镜系统设有用以引导所述恒磁材料产生的磁通量的磁通量引导电路，各所述磁通量引导电路带有不同的电压。
4.如权利要求3所述的粒子-光学装置，其中，在至少一个所述透镜系统的磁通量引导电路的部件之间常有电压差。
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