TW201811125A - 永久磁鐵粒子束裝置及包含可調性之非磁性金屬部分之方法 - Google Patents

永久磁鐵粒子束裝置及包含可調性之非磁性金屬部分之方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種永久磁鐵粒子束裝置及包含可調性之一非磁性部分之方法。該永久磁鐵粒子束裝置包含發射一帶電荷粒子束之一粒子束發射器，且包含形成用於控制該帶電荷粒子束之聚集之一磁場之一組永久磁鐵。該永久磁鐵粒子束裝置進一步包含一非磁性電導體組件，該非磁性電導體組件係與該組永久磁鐵安置在一起，以控制移動通過該磁場之該帶電荷粒子束之一動能。

Description

永久磁鐵粒子束裝置及包含可調性之非磁性金屬部分之方法
本發明係關於帶電荷粒子束器件，且更特定言之，本發明係關於包含永久磁鐵之粒子束器件。
粒子束器件係為各種目的發射一粒子束之一類電器件。在電子束之情況中，特定射束器件可為一電子槍/發射器。儘管以下描述現存電子槍之缺點，但應注意此等缺點同樣適用於其他類型之特定射束器件(例如，帶正電荷或帶負電荷之離子束)。 在電子槍之情況中，此等器件通常操作產生一受控電子束，換言之，藉由加速及/或聚焦(聚集)該電子束。在一些基礎實施方案中，電子槍經組態具有永久磁鐵以控制該電子束。該等磁鐵永久係安置於電子槍外殼內以對控制該電子束之一磁場塑形。 就作者所了解，所有電子槍皆具有控制發射器區域中之電場之一專屬萃取器電極。圖1展示根據先前技術之具有用於控制發射電流之一萃取器之一永久磁鐵電子槍之一組態之一個實例。如所展示，圖2包含經安置於靠近電子發射器102之一萃取器107A、107B。萃取器107A、107B加速由電子發射器102在其之一開口處發射之電子束106，且接著引導電子束106穿過一較小開口朝向永久磁鐵104A、104B。此永久磁鐵元件104A、104B提供聚集電子束106之一磁透鏡。在Nasser-Ghodsi等人之名稱為「Non-planar extractor structure for electron source.」之2012年5月10日申請之美國專利第8,513,619號中描述此類型之永久磁鐵電子槍之一更詳細的描述。最理想的情況係萃取器控制發射，且不影響由永久磁鐵透鏡引起之聚集。然而，在先前技術之一實際實施方案(諸如Nasser-Ghodsi等人之美國專利第8,513,619號)中，萃取器影響電子槍之發射及聚集兩者，從而使得其操作變得困難。此外，本文展示之萃取器具有可難以製作之一深井，在發射器位置處呈現一受限體積及較差之局部真空。 一個幫助解決在控制自永久磁鐵電子槍聚集方面之缺陷的解決方案係部署一磁性線圈而非永久磁鐵。該線圈實現一可調磁場，但不幸的係其需要電力來產生該磁場。此繼而需要電子槍外殼比諸如以上描述之永久磁鐵配對物更大，以考量線圈及電源連接。 因此需要解決與基於先前技術永久磁鐵之帶電荷粒子槍器件相關聯之此等及/或其他問題。
本發明提供一種永久磁鐵粒子束裝置及包含可調性之一非磁性部分之方法。該永久磁鐵粒子束裝置包含發射一帶電荷粒子束之一粒子束發射器，且包含形成用於控制該帶電荷粒子束之聚集之一磁場之一組永久磁鐵。該永久磁鐵粒子束裝置進一步包含一非磁性電導體組件，該非磁性電導體組件係與該組永久磁鐵安置在一起，以控制移動通過該磁場之該帶電荷粒子束之一動能。
相關申請案之交叉參考 本申請案主張2016年4月11日申請之美國臨時專利申請案第62/321,077號之權利，該案之全文以引用之方式併入本文中。 圖2展示根據一實施例之具有擁有可調性之一經附接之非磁性金屬部分之永久磁鐵粒子束裝置。特定言之，圖2係一原本三維永久磁鐵粒子束裝置之一截面。 應注意，儘管已展示永久磁鐵粒子束裝置之某些組件，但該永久磁鐵粒子束裝置亦可視情況包含圖中未展示之額外組件。僅舉例而言，該永久磁鐵粒子束裝置通常可包含圖2中未展示但在此項技術中已知之一外殼及電連接。以下描述其他額外組件(視情況而定)。因此，圖2應被解譯為展示一永久磁鐵粒子束裝置之一內部部分之全部或部分。 此外，參考一永久磁鐵粒子束裝置。此係指經組態以發射一粒子束且包含用於控制該粒子束之一組永久安置之磁鐵之一電裝置。然而，本文描述之本實施例亦包含擁有可調性之非磁性電導體(例如，金屬)部分，此係對諸如圖1中展示之類似先前技術器件之一改良。永久磁鐵粒子束裝置可被用於數種應用，包含(例如)用於電子束微影之微聚焦元件。 如圖2之本實施例中所展示，永久磁鐵粒子束裝置包含發射一粒子束208之一粒子發射器202。粒子束208係由一串粒子(可係電子或其他帶電荷粒子)構成。永久磁鐵粒子束裝置亦包含萃取器203A、203B，及形成用於控制粒子束208之聚集之一磁場之一組永久磁鐵204A、204B。 此外，永久磁鐵粒子束裝置包含一非磁性金屬(或其他非磁性電導體/半導體材料)組件206A、206B (即，電極)，其係與該組永久磁鐵204A、204B安置在一起，以控制移動通過磁場之粒子束208之一動能。此元件206A、206B在磁透鏡之區域中控制粒子束208之動能且不影響磁場分布。儘管在橫截面圖中展示為兩個部分206A、206B，但應注意在一個實施例中非磁性金屬組件206A、206B可為具有一通道之一單一組件，粒子束208通過該通道行進。例如，非磁性金屬組件206A、206B可為非磁性金屬材料之一環或以其他方式塑形為圓柱形狀之組件。 非磁性金屬組件206A、206B可藉由耦合(附接)至或以其他方式靠近永久磁鐵204A、204B而與該組永久磁鐵204A、204B安置在一起。在所展示之實施例中，非磁性金屬組件206A、206B係耦合至永久磁鐵204A、204B。特定言之，非磁性金屬組件206A、206B可係耦合至永久磁鐵204A、204B之一前側(即，具有粒子束208在其上進入之一開口之側)。然而，設想其中非磁性金屬組件206A、206B與該組永久磁鐵204A、204B分離之另一實施例，且此係在下文就圖3來詳細描述。 為此，非磁性金屬組件206A、206B可安置於或靠近其中磁場最強之一位置處。然而，根據非磁性金屬之已知科學性質，由於非磁性金屬組件206A、206B係一非磁性金屬材料，所以非磁性金屬組件206A、206B可控制粒子束208之靜電電位且因此控制移動通過磁場之粒子束208之動能而不干擾(更改或降級)由該組永久磁鐵204A、204B形成之磁場。應注意，非磁性金屬組件206A、206B之形狀可影響控制位於或靠近磁透鏡區域之粒子束208之動能之一程度。因此，非磁性金屬組件206A、206B可製造為影響粒子束208之速度至一所要程度之一形狀，因此提供永久磁鐵粒子束裝置之可調性。 如所展示(作為具有射束孔徑作用之一增加之目的之一非磁性組件206A、206B之一特定實例)，接收來自發射器202之粒子束208作為輸入之非磁性金屬組件206A、206B之一第一開口可大於粒子束208輸出穿過其之非磁性金屬組件206A、206B之一第二開口。非磁性金屬組件206A、206B之此組態允許粒子束208聚焦通過非磁性金屬組件206A、206B。當然，非磁性金屬組件206A、206B之此開口組態係選用的，或可經組態具有在輸出處提供粒子束208之一所要速度及射束電流之各自開口尺寸。 圖3繪示根據一實施例之具有擁有可調性之一非附接之非磁性金屬部分之一永久磁鐵粒子束裝置。如上文相對於圖2描述永久磁鐵粒子束裝置，除相較於非磁性金屬組件206A、206B電連接至如圖2中展示之永久磁鐵204A、204B，圖3展示其中非磁性金屬組件207A、207B與該組永久磁鐵204A、204B電分離之一實施例外。 在以上針對圖2及圖3描述之實施例之各者中，揭示一種與微型尺寸器件及高真空相容之架構。包含非磁性金屬組件206A、206B或207A、207B提供對靠近或處於磁場之峰值處之靜電電位之控制，此繼而最大化射束聚集可調性且減少永久磁鐵204A、204B上之動能變化之能力。 在圖2及圖3中展示之實施例中，永久磁鐵粒子束裝置可不必包含一分離萃取器。此係可能的，因為非磁性金屬組件206A、206B或207A、207B本身在永久磁鐵204A、204B處可提供萃取器及如以上描述之射束限制孔徑，但該功能係選用的且具體到用例。另外，當由非磁性金屬組件206A、206B或207A、207B提供射束限制孔徑之新位置(即，在磁鐵處而非在發射器202處，如原本當使用萃取器時之情形)時，該新位置更遠離發射器202且其之直徑可稍大且當與更靠近粒子發射器之先前位置相比較時具有一組寬鬆之容限。此可提供工藝中之一優勢。當然，如以上所描述，此射束限制孔徑對非磁性金屬組件206A、206B或207A、207B係選用的。 然而作為一選項，以上針對圖2及圖3描述之永久磁鐵粒子束裝置亦可包含一萃取器(圖中未展示)，其完全與非磁性金屬組件206A、206B或207A、207B分離，使得該永久磁鐵粒子束裝置經設計以分離由該萃取器提供之一尖端萃取器真空區域與由非磁性金屬組件206A、206B或207A、207B及永久磁鐵204A、204B之一組合提供之電極真空。在此情況中，該萃取器不需要表示一受限體積之一長半閉合孔，如圖1中揭示之先前技術中之情形。圖2及圖3之架構(包含一萃取器)可提供整個永久磁鐵粒子束裝置區域之真空架構及導電性中之更多靈活性，因為現在該萃取器係一完全分離之電極且射束限制孔徑可留存於非磁性金屬組件206A、206B或207A、207B上。 在其中永久磁鐵粒子束裝置包含萃取器之情況中，可減少萃取場之一改變與聚集之間之串擾。例如，萃取器上之動能中之一變化對聚集之一影響比在先前技術永久磁鐵粒子束裝置架構中發現之影響更弱。此係因為在針對圖2及圖3描述之架構中，萃取器不定位於磁透鏡場之峰值區域處。 再者，獨立控制聚集可具有靜電電壓。過去，必須加入定位於更下游處之一分離靜電聚集透鏡。個別永久磁透鏡電壓控制及非磁性金屬組件提供該功能且具有一較低所需調諧電壓範圍。 以上針對圖2及圖3描述之永久磁鐵粒子束裝置亦可增強工藝性。可由射束限制孔徑尺寸之一精確挑選個別選擇來製造、選擇且定位個別非磁性金屬組件206A、206B或207A、207B。由於微米數量級之小孔徑尺寸，可自製造批次「擇優挑選」非磁性金屬組件206A、206B或207A、207B以允許一者更緊密地匹配目標容限及系統對系統一致性。 又，以上針對圖2及圖3描述之永久磁鐵粒子束裝置可利用低功率驅動電子。由一電壓控制非磁性金屬組件206A、206B或207A、207B。小洩露電流加電容係僅相關之阻抗。所以除了相對較高之程式化速度外，不需要用於驅動一高電感線圈之大電流，如原本具有以上相對於圖1描述之架構之電子槍之情形。圖2及圖3中之架構無需冷卻且可允許聚集時之高速變化。後者對未來帶電荷粒子器件係有價值的。 圖4繪示相對於圖1之先前技術實施方案之圖2及圖3之組態之效應之一實例。如所展示，圖1中之裝置提供係需要維持發射之一特定位準之萃取場之一強大功能之射束聚集。因此，圖表中之線展示最陡斜率(或耦合)。 圖2中之裝置之斜率比由於圖1中之裝置導致之斜率小約5倍。此意謂在裝置之下游處需要針對聚集之少量校正、提供源頭處之更多可調性且提供一較大軸向容限規畫。 如圖中展示之圖3中之裝置允許全面控制發射及聚集以無需安置於裝置之下游處之一額外聚集透鏡。 圖5繪示控制一粒子束通過一永久磁鐵粒子束裝置之一方法500。方法500包含在操作502中藉由一粒子束發射器發射一帶電荷粒子束。接著在操作504中，該帶電荷粒子束透射通過由一組永久磁鐵形成之用於控制帶電荷粒子束之聚集之一磁場。此外，在操作506中，使用與該組永久磁鐵安置在一起之一非磁性電導體組件控制移動通過該磁場之帶電荷粒子束之一動能。 儘管以上描述各種實施例，但應瞭解其等僅以實例方式呈現且不具有限制性。因此，一較佳實施例之廣度及範疇不應由以上描述之例示性實施例之任何者限制，而應僅根據隨附申請專利範疇及其等之等效物界定。
102‧‧‧電子發射器
104A‧‧‧永久磁鐵
104B‧‧‧永久磁鐵
106‧‧‧電子束
107A‧‧‧萃取器
107B‧‧‧萃取器
202‧‧‧粒子發射器
203A‧‧‧萃取器
203B‧‧‧萃取器
204A‧‧‧永久磁鐵
204B‧‧‧永久磁鐵
206A‧‧‧非磁性金屬組件
206B‧‧‧非磁性金屬組件
207A‧‧‧非磁性金屬組件
207B‧‧‧非磁性金屬組件
208‧‧‧粒子束
500‧‧‧方法
502‧‧‧操作
504‧‧‧操作
506‧‧‧操作
圖1展示根據先前技術之具有用於控制發射電流之一萃取器之一永久磁鐵電子槍之一組態之一個實例。 圖2展示根據一實施例之具有擁有可調性之一附接之非磁性金屬部分之一永久磁鐵粒子束裝置。 圖3繪示根據一實施例之具有擁有可調性之一非附接之非磁性金屬部分之一永久磁鐵粒子束裝置。 圖4繪示相對於圖1之先前技術實施方案之圖2及圖3之組態之效應之一實例。 圖5展示根據一實施例之控制一粒子束通過一永久磁鐵粒子束裝置。
202‧‧‧粒子發射器
203A‧‧‧萃取器
203B‧‧‧萃取器
204A‧‧‧永久磁鐵
204B‧‧‧永久磁鐵
206A‧‧‧非磁性金屬組件
206B‧‧‧非磁性金屬組件
208‧‧‧粒子束

Claims (18)

  1. 一種永久磁鐵粒子束裝置，其包括： 帶電荷粒子束發射器，其發射一粒子束； 一組永久磁鐵，其形成用於控制該帶電荷粒子束之聚集之一磁場；及 一非磁性電導體組件，其係與該組永久磁鐵安置在一起，以控制移動通過該磁場之該帶電荷粒子束的動能。
  2. 如請求項1之永久磁鐵粒子束裝置，其中該帶電荷粒子束係一電子束。
  3. 如請求項1之永久磁鐵粒子束裝置，其中該非磁性電導體組件經耦合至該組永久磁鐵。
  4. 如請求項1之永久磁鐵粒子束裝置，其中該非磁性電導體組件係與該組永久磁鐵分離。
  5. 如請求項1之永久磁鐵粒子束裝置，其中該非磁性電導體組件係安置於其中該磁場最強之一位置處。
  6. 如請求項1之永久磁鐵粒子束裝置，其中該非磁性電導體組件係金屬。
  7. 如請求項1之永久磁鐵粒子束裝置，其中接收來自該發射器之該帶電荷粒子束作為輸入之該非磁性電導體組件之一第一開口大於該帶電荷粒子束輸出穿過其之該非磁性電導體組件之一第二開口。
  8. 如請求項1之永久磁鐵粒子束裝置，其中該非磁性電導體組件之一形狀影響控制該帶電荷粒子束之該動能之一程度。
  9. 如請求項1之永久磁鐵粒子束裝置，其中該非磁性電導體組件控制移動通過該磁場之該帶電荷粒子束之該動能，且不干擾由該組永久磁鐵形成之該磁場。
  10. 一種用於控制一粒子束通過一永久磁鐵粒子束裝置之方法，其包括： 藉由一粒子束發射器發射一帶電荷粒子束； 使得該帶電荷粒子束透射通過由一組永久磁鐵形成之用於控制該帶電荷粒子束之聚集之一磁場；且 使用與該組永久磁鐵安置在一起之一非磁性電導體組件來控制移動通過該磁場之該帶電荷粒子束之一動能。
  11. 如請求項10之方法，其中該帶電荷粒子束係一電子束。
  12. 如請求項10之方法，其中該非磁性電導體組件經耦合至該組永久磁鐵。
  13. 如請求項10之方法，其中該非磁性電導體組件係與該組永久磁鐵分離。
  14. 如請求項10之方法，其中該非磁性電導體組件係安置於其中該磁場最強之一位置處。
  15. 如請求項10之方法，其中該非磁性電導體組件係安置於靠近其中該磁場最強之一位置處。
  16. 如請求項10之方法，其中該帶電荷粒子束在該非磁性電導體組件之一第一開口處被接收作為輸入，且被輸出穿過該非磁性電導體之一第二開口，且其中該第一開口大於該第二開口。
  17. 如請求項10之方法，其中控制該帶電荷粒子束之該動能之一程度係基於該非磁性電導體組件之一形狀。
  18. 如請求項10之方法，其中該非磁性電導體組件控制移動通過該磁場之該帶電荷粒子束之該動能，且不干擾由該組永久磁鐵形成之該磁場。
TW106111968A 2016-04-11 2017-04-11 永久磁鐵粒子束裝置及包含可調性之非磁性金屬部分之方法 TWI722167B (zh)

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