TWI492244B

TWI492244B - 單色器、帶電粒子束裝置、減少帶電粒子束之能量散佈的方法以及能量過濾帶電粒子束的方法

Info

Publication number: TWI492244B
Application number: TW102119903A
Authority: TW
Inventors: Wei-Ming Ren; Zhong-Wei Chen
Original assignee: Hermes Microvision Inc
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2015-07-11
Also published as: TW201405577A

Description

單色器、帶電粒子束裝置、減少帶電粒子束之能量散佈的方法以及能量過濾帶電粒子束的方法

本發明係關於一種帶電粒子束裝置，特別是關於一種將帶電粒子束過濾成小能量散佈的單色器。本發明同時關於一種適於使用此裝置的帶電粒子束設備。儘管如此，應該理解的是本發明具有更廣泛的適用範圍。

在應用電子顯微鏡原理觀察樣品的掃描式電子顯微鏡以及相關的工業領域中，例如半導體製造中的良率管理的缺陷檢視及缺陷檢查，需要獲得具有高解析度的試片影像並要求低輻射損壞。

減少試片樣品輻射損壞的唯一解決方式就是使用一低能量(或一般在掃描式電子顯微鏡領域稱為低電壓)電子束掃描(<5keV)，但卻會限制電子束試片表面下的穿透力以及試片表面的殘餘電荷累積。不過由於低能量電子束會形成一比高能量電子束大的探針點使得解析度變差。

試片表面上的探針點直徑係由成像系統中的電子源的大小、球狀相差與色散像差、繞射與庫侖效應(Coulomb effect)決定。對於低能量電子束而言，可實現最小探針點尺寸受限於導因於較大之德布羅伊波長(de Broglie wavelength)λ的繞射圓平面及導因於較大之相對能量散佈dV/V ₀ 的色散像差。兩者分別顯示於方程式(1.1)與(1.2)。此處C _CA 是色散像差係數，V ₀ 及dV 是電子能量及能量散佈，α 是粒子束半角。很明顯的是，要減小探針點尺寸，減少能量散佈及降低色散像差係數是另一個選項，

電子束之能量散佈係來自原始能量散佈，原始能量散佈係由當電子從一電子源射出且由電子源到目標途中電子之間統計上的交互作用造成之疊加能量散佈(Boersch effect)而生成。電子能量散佈通常有一具有長尾巴的形狀，且電子束的能量散佈通常以FWHM(Full Width Half Maximum)(完整寬度一半最大值)來表示。蕭特基場發射源(Schottky Field Emission Source)廣泛應用於低電壓掃描式電子顯微鏡(LVSEM)，在陰極的能量散佈dV 是0.3eV，且取決於粒子束電流，在電子槍出口處增加到0.5-1eV。對於低能電子束如1keV而言，此一能量散佈值大小意味著一相對的能量散佈dV/V ₀ 較例如10keV的高能電子束大得多。

目前提供了很多的解決方案以減少電子落在試片前的能量散佈dV 。在這些解決方案中，磁性及/或靜電折射器(例如Alpha過濾器、omega過濾器及Wien過濾器)及靜電圓透鏡(例如美國專利第7034315號)被用作為分散元件。這些元件的共同點在於當偏折電子束時產生折射散佈。在這些解決方案之中只有Wien過濾器具有一直光軸且不會將具有正常能量的電子偏折遠離光軸。這一特性使Wien過濾器易於準備並且不會產生實際上無法獲得完全補償的離軸相差，因此許多提出的解決方案都是基於Wien過濾器。

如第一圖中所示，在一標準Wien過濾器的基本配置中，一沿X方向的靜電偶極場E及一沿Y方向磁偶極場B彼此垂直疊加，且兩者都垂直於一直光軸Z。一電子束沿光軸Z穿過Wien過濾器。Wien條件只有當電子以速度v ₀ 沿Z方向移動時為真，如方程式(1.3)中所示，此處對每個電子的淨羅侖茲力F是零。對於具有自速度v ₀ 的速度變化量δv 沿Z方向移動的電子而言，其獲得沿X方向非零淨羅侖茲力F，如以正常的電子能量V ₀ 及能量變化量δV 表示的方程式(1.4)或(1.5)中所示，且將在X方向被折射且因此被轉向遠離Z方向。此處e及m分別是電子的電荷與質量。折射角度α取決於能量變化量δV 及有關於磁場B與正常能量V ₀ 的折射功率K，如方程式(1.6)中所示。因此，Wien過濾器將產生折射散佈，而折射功率K代表分散強度。為清楚起見，此處折射功率K及偏折方向分別稱為分散功率及分散方向。在此情況下對於速度v ₀ 的電子而言無離軸的像差發生。

Wien Condition： F (υ₀ )=F _e +F _m =0 orE =υ₀ ．B (1.3)

Dispersion： F (υ₀ +δ υ)=-e ．δ υ．B (1.4)

α =K (B ,V ₀ )．δV (1.6)

對於每個具有正常能量但不是在YOZ平面中移動的電子而言，將獲得一種來自靜電場的電位改變。因此，當其穿過Wien過濾器時速度將不同於v ₀ 如(1.7)所示，並且會獲得非零淨羅侖茲力如(1.8)中所示。淨羅侖茲力與電子位置x成正比，因此在X方向(分散方向)的聚焦效應存在。分散方向的聚焦效應將生成像散聚焦(astigmatic focusing)，並同時減少的離軸電子的折射角度。後者意謂著分散功率降低。

Wien過濾器在許多方面被應用做為單色器或能量過濾器，其中能量過濾以及能量角度過濾為兩種典型方法。在如第二a圖所示的能量過濾中，一來自電子源1的粒子束2藉由圓形透鏡10及或Wien過濾器11本身(例如，美國專利第6452169號、美國專利第6580073號、美國專利第6960763號及美國專利第7507956號)聚焦，在能量限制孔徑12上形成像散的影像。具有能量V ₀ 的電子形成聚焦到光軸的次電子束3，同時能量為V ₀ ±δV 的電子分別形成分別在±X方向偏折且聚焦遠離光軸的次電子束4及5。因此，在粒子束2內，其能量變化量在±δV 內的所有電子將通過孔徑12，其餘電子將被擋下。

作為一明顯的優點，能量過濾將完全切斷電子能量分布的長尾巴。能量分布的長尾巴產生影像中的一背景並降低影像對比。作為一不可忽視的缺點，能量過濾需增加電子源尺寸。電子源1在孔徑12的影像為後續電子光學的來源，實際上由孔徑大小決定其尺寸。然而目前在實際孔徑大小目前(100nm)是遠大於的原始電子源的尺寸1(蕭特基場發射源的虛擬來源為約20nm)。此外，孔徑12上的影像是所有電子的交叉結果，此增強產生額外能量散佈的電子相互作用。雖然在電子相互作用方面而言，像散影像較無像散共焦影像為佳。

如第二b圖中所示能量角度過濾中(例如美國專利第6489621號、美國專利第7679054號及美國專利第5838004號)，一來自電子源1的粒子束2通過Wien過濾器11。具有能量V ₀ 的電子形成直行的次電子束3，同時能量分別為V ₀ ±δV 的電子分別形成分別在±X方向偏折的次電子束4及5。能量角度限制孔徑12上每個電子的位置取決於其能量及進入Wien過濾器11的入射角。因此，孔徑12不僅擋掉所有能量變化量不在±δV 內的電子，同時即使其能量變化量在±δV 內但具有較大入射角的電子也被擋掉。

關於能量變化量δV 的折射角度α 必須至少大於雙入射半角β 以清楚過濾出具有能量變化量δV的 帶電粒子。此要求Wien過濾器有足夠的分散功率或入射電子束分散程度要夠小。增加Wien過濾器的分散功率將增加折射角度，但同時加強聚焦作用，進而將減少折射角，並限制其可實現的最大折射角度。抑制入射電子束的分散程度將限制粒子束電流或增強電子的互動形同增加電子束的能量分散。另一個不容忽視的缺點是為了後續的電子光學原始電子源1被改為較大的自14至15的虛擬電子源。

很多種改進方法已被提出以解決上述問題。在能量角度過濾方面，一種方法是使用圓形透鏡以將原始電子源成像到Wien過濾器中心(如美國專利第7468517號)上。這將在電子源尺寸上的Wien過濾器效應減至最少，但增加了一真實交叉。另一種方法是使用第二Wien過濾器來補償(例如美國專利第6489621號、美國專利第7679054號)第一個Wien過濾器的殘餘效應。雖然這種方法不會產生一真實交叉，但將產生一遠離後續電子光學的虛擬交叉，此將因為大為增加的粒子束尺寸造成大的像差。

在能量過濾方面，許多文件(例如美國專利第6960763號、美國專利第6580073號及美國專利第7507956號)提供使用一或更額外Wien過濾器21以補償能量限制孔徑過濾器12後第一個Wien過濾器11之殘餘效應的方法(如第三a圖及第三b圖中所示)。在這些解決方案中，一共焦及無分散交叉7，即在能量限制孔徑12的第一真實像散交叉6後的一額外真實交叉是在最後一個Wien過濾器21後形成。這不但增加了電子相互作用方面能量過濾後的能量散佈，但也使掃描式電子顯微鏡的總長度至少增加了單色器的長度8。

本發明將提供一個解決能量過濾及能量角度過濾問題的解決方案。不同於形成入射帶電粒子束經單色器後的真實共焦交叉，其形成了單色器內虛擬的共焦及無分散交叉。其後本發明提供基於低電壓掃描式電子顯微鏡原理改良低電壓掃描式電子顯微鏡及相關設備成像解析度的有效方法。

本發明的目的是提供一種帶電粒子裝置中的單色器以減少主帶電粒子束的能量散佈。藉由特別沿相對於一能量限制孔徑的直光軸形成在折射色散及基本軌跡的雙對稱，此單色器使一來自帶電粒子源入射帶電粒子束離開時具有減少的能量散佈以及保持有效交叉直徑及行進方向不變。因此，本發明提供了基於低電壓掃描式電子顯微鏡的原理提高低電壓掃描式電子顯微鏡及相關裝置的成像解析度的有效途徑，如半導體良率管理的缺陷檢測與缺陷再檢視。

因此，本發明提供一種單色器之一實施例，該單色器包含沿該單色器之一直光軸對齊以將具有一正常能量與一能量散佈的帶電粒子束折射的一第一分散單元與一第二分散單元，以將沿該光軸通過之該帶電粒子束之帶電粒子依序折射，一位於該第一分散單元與該第二分散單元之間之粒子阻斷單元，一與該直光軸對齊並將該帶電粒子束聚焦以於該粒子阻斷單元內之一平面上形成一真實交叉之粒子束調整元件。該帶電粒子束沿光軸通過並包含具有正常的能量直線通過該每一分散單元的帶電粒子以及具有自正常能量改變的能量變化並由該每一分散單元沿一相同分散方向折射的帶電粒子。由該每一分散單元產生的每一帶電粒子之折射角係由該每一分散單元的一分散功率及該每一帶電粒子的能量變化決定，其中該第一分散單元與該第二分散單元的該分散方向為分別相等。於該真實交叉內，每一具有能量變化粒子具有一因該第一分散單元產生之該折射角所造成之位置偏移。該粒子阻斷單元阻斷位於該真實交叉之一空間區域外之粒子。一虛擬交叉於該帶電粒子束被該第二分散單元分散之後形成於該單色器內。

該二分散單元之該分散功率具有一比例關係以使該帶電粒子束之該虛擬交叉無第一級分散且位於或接近該平面。該第一分散單元包含一第一Wien過濾器與一第一散光像差補償器，該第一散光像差補償器補償該第一Wien過濾器產生之像散，該第二分散單元包含一第二Wien過濾器與一第二散光像差補償器，該第二散光像差補償器補償該第二Wien過濾器產生之像散。該粒子束調整元件位於該第一分散單元之一粒子束進入側，且可為一圓透鏡。自離開該單色器之後該帶電粒子束之一離開能量散佈可藉由同時以該比例關係改變該第一與第二分散單元之該分散功率及改變該粒子束調整元件之一聚焦功率來改變。

該粒子阻斷單元可利用一能量限制孔徑阻斷粒子。此外，該粒子阻斷單元於該第一分散單元的該分散方向上可具有多個具有不同尺寸的能量限制孔徑自離開該單色器之後該帶電粒子束之一離開能量散佈可藉由使用一不同能量限制孔徑來改變。該粒子阻斷單元可使用一第一刀刃邊緣以阻斷粒子，且自離開該單色器之後該帶電粒子束之一離開能量散佈可藉由調整位於該第一分散單元的該分散方向上該第一刀刃邊緣之一位置來改變。該粒子阻斷單元可進一步使用一第二刀刃邊緣以阻斷粒子，且自離開該單色器之後該帶電粒子束之一離開能量散佈可藉由調整位於該第一分散單元的該分散方向上該二刀刃邊緣之一或二者之位置來改變。該粒子束調整元件位於該第一分散單元與該粒子阻斷單元之間。

本發明提供一種帶電粒子束裝置，其包含一提供一沿該裝置之一直光軸移動之主電子束的帶電粒子源，一與該光學軸對齊以聚焦該主電子束之聚光鏡，一與該光學軸對齊以將該主電子束聚焦在一試片之一發射二次電子的表面上的物鏡，一接收該二次電子的偵測器，以及一與該光軸對齊並位於該帶電粒子源與該物鏡之間以減少該主電子束之一能量散佈之單色器。該單色器可參考之前的實施例。

該二分散單元之該分散功率具有一比例關係以使該虛擬交叉無第一級分散且位於或接近該平面。該單色器之粒子束調整元件可位於該單色器之第一分散單元之一粒子束進入側。該單色器之粒子束調整元件可為一圓透鏡。該第一分散單元包含一第一Wien過濾器與一第一散光像差補償器，該第一散光像差補償器補償該第一Wien過濾器產生之像散，該第二分散單元包含一第二Wien過濾器與一第二散光像差補償器，該第二散光像差補償器補償該第二Wien過濾器產生之像散。自離開該單色器之後該帶電粒子束之一離開能量散佈可藉由同時以該比例關係改變該第一與第二分散單元之該分散功率及改變該粒子束調整元件之一聚焦功率來改變，或可藉由調整粒子阻斷單元以選擇真實交叉的空間區域的對應位置與尺寸來改變。

帶電粒子束裝置可進一步包含一具有一位於該帶電粒子源與該聚光鏡之間的一第一粒子束限制孔徑的第一板，以及一具有一位於該聚光鏡與該物鏡之間的一第二粒子束限制孔徑的第二板，其中該第一與該第二粒子束限制孔徑與該裝置之該光軸對齊。

本發明又提供一單色器，其包含沿該單色器之一直光軸對齊以將具有一正常能量與一能量散佈的帶電粒子束折射的一第一分散單元與一第二分散單元，以將沿該光軸通過之該帶電粒子束之帶電粒子依序折射，以及一位於該第一分散單元與該第二分散單元之間的粒子阻斷單元。每一該分散單元於一分散方向具有一分散功率，因此由該每一分散單元產生的每一帶電粒子之折射角係由該每一分散單元的該分散功率及該每一帶電粒子的能量變化及該帶電粒子束之一正常的能量決定。該第一分散單元與該第二分散單元的該分散方向為分別相等。該帶電粒子束於該粒子阻斷單元內之一平面上形成一真實交叉，且於該真實交叉內，每一具有能量變化粒子具有一因該第一分散單元產生之該折射角所造成之位置偏移。該粒子阻斷單元阻斷位於該真實交叉之一空間區域外之粒子，且該第二分散單元之該分散功率使該帶電粒子束形成一無第一級分散且位於或接近該平面的虛擬交叉。

該粒子阻斷單元可利用一能量限制孔徑，或一或二刀刃邊緣阻斷粒子。

本發明又提供一種能量過濾一帶電粒子束的方法，包含提供一粒子阻斷裝置以阻斷位於該帶電粒子束之一空間區域外之粒子，提供一可產生沿一分散方向的一分散功率之分散裝置，因此可以一折射角折射該帶電粒子束之之每一帶電粒子，該折射角由該分散功率及該每一帶電粒子的能量變化及該帶電粒子束之一正常的能量決定，使用該分散裝置形成一雙重比例對稱，該雙重比例對稱包含均相對於一平面的一於分散功率分佈上的比例對稱與一具有一正常能量的帶電粒子在一軌跡分佈的一比例反對稱。該雙重比例對稱首先使該帶電粒子束於該平面形成一真實交叉並具有一取決於該帶電粒子束之能量分布的粒子位置分佈，且該粒子阻斷裝置使該位於該真實交叉之空間區域外之粒子被阻斷。該雙重比例對稱接著使該帶電粒子束形成一無第一級分散且具有一減少能量分散的虛擬交叉。

該虛擬交叉可位於或接近該平面。

本發明又提供一種減少一帶電粒子束之一能量散佈的方法，包含分散該帶電粒子束，其中每一粒子獲得一由該粒子之能量變化及該帶電粒子束之一正常的能量決定之折射角。接著對分散之該帶電粒子束聚焦以形成真實交叉。然後阻斷位於該真實交叉之一空間區域外之粒子。最後分散未被阻斷之該帶電粒子束以形成一無第一級分散的虛擬交叉。

該虛擬交叉位於或接近該真實交叉。

1‧‧‧電子源

2‧‧‧粒子束

3‧‧‧次電子束

4‧‧‧次電子束

5‧‧‧次電子束

6‧‧‧真實像散交叉

7‧‧‧共焦及無像散交叉

8‧‧‧單色器長度

10‧‧‧圓形透鏡

11‧‧‧Wien過濾器

12‧‧‧能量限制孔徑

14‧‧‧虛擬電子源

15‧‧‧虛擬電子源

20‧‧‧第一分散單元

20P‧‧‧第一分散單元

21‧‧‧Wien過濾器

30‧‧‧能量限制孔徑

30P‧‧‧能量限制孔徑

31‧‧‧平面

32‧‧‧平面

40‧‧‧第二分散單元

40P‧‧‧第二分散單元

50‧‧‧軸上電子束

61‧‧‧正常能量V ₀ 電子

62‧‧‧入射電子束

62a‧‧‧交叉

62b‧‧‧位置

71‧‧‧正常能量V ₀ 電子

100‧‧‧粒子束調整元件

100P‧‧‧粒子束調整元件

110P‧‧‧粒子束調整元件

200‧‧‧第一分散單元

200P‧‧‧第一分散單元

210P‧‧‧第一分散單元

300‧‧‧能量限制孔徑

300P‧‧‧能量限制孔徑

300P-1‧‧‧平板

300P-2‧‧‧平板

310‧‧‧平面

310P‧‧‧能量限制孔徑

320‧‧‧平面

321‧‧‧平面

330‧‧‧平面

400‧‧‧第二分散單元

400P‧‧‧第二分散單元

410P‧‧‧第二分散單元

500‧‧‧單色器

500P‧‧‧單色器

500P-B1‧‧‧單色器

500P-B2‧‧‧單色器

500P-B3‧‧‧單色器

510P‧‧‧單色器

600‧‧‧電子源

602‧‧‧真實交叉

610‧‧‧電流限制孔徑

620‧‧‧聚光鏡

630‧‧‧粒子束限制孔徑

640‧‧‧物鏡

650‧‧‧試片

700‧‧‧電子束

本發明經以下詳細說明伴隨圖示進行說明後將更易於了解領會，其中參考符號標明結構元件，其中：

第一圖顯示一Wien過濾器的基本的結構。

第二a圖顯示一使用Wien過濾器作為色散元件的單色器的概要圖示。

第二b圖顯示一使用Wien過濾器作為色散元件的單色器的概要圖示。

第三a圖顯示一使用兩個Wien過濾器的單色器的概要圖示。

第三b圖顯示一使用兩個Wien過濾器的單色器的概要圖示。

第四a圖顯示一根據本發明的折射色散的對稱性的概要圖示。

第四b圖顯示一根據本發明之基本軌跡的反對稱性的概要圖示。

第五圖顯示一根據本發明之第一實施例中用於帶電粒子裝置之一單色器的概要圖示。

第六a至六f圖顯示一根據本發明之第五圖所示單色器之功能(XOZ、YOZ平面)的概要圖示。

第七a至七c圖顯示一根據本發明之第二實施例將一單色器整合至掃描式電子顯微鏡的概要圖示。

第八圖顯示一根據本發明之第三實施例將一單色器整合至掃描式電子顯微鏡的概要圖示。

第九a圖與第九b圖顯示本發明的分散補償與基本軌跡的雙重比例對稱。

第十圖顯示本發明一用於帶電粒子裝置之單色器的第四實施例。

第十一圖顯示本發明一用於帶電粒子裝置之單色器的第五實施例。

第十二a圖至第十二c圖顯示用於帶電粒子裝置之單色器的第六實施例。

本發明的各種實施例現在將伴隨圖示更充分敘述，圖示中顯示一些實施例。在不限制本發明的保護範圍下，實施例中所有的說明與圖示將以電子源與掃描式電子顯微鏡為例。不過實施例並非用來將本發明實施例限制在特定的帶電粒子源與特定的電子顯微鏡領域。

以下的說明將集中在使用為一種帶電粒子的電子束。在圖示中，每個元件及每個元件之間的相對尺寸為清晰起見可能被放大。在下列圖示的說明中，相同的參考編號對應相同的元件或實體，並只對個別的實施例間的差異進行說明。

本發明提供一具有雙對稱的Wien過濾器型單色器。如第四a圖及第四b圖中所示，由兩個完全相同的分散單元(20及40)對稱地位於能量限制孔徑30的每一側以實現雙對稱。兩個完全相同的每一分散單元於具有自一正常的能量改變的能量變化帶電粒子產生折射散佈並將離軸帶電粒子聚焦。在一方面，這兩個完全相同的分散單元對同一方向具有自一正常的能量改變的能量變化的帶電粒子產生兩個相等的折射角(α1=α2)。在此情況下，折射散佈相對能量限制孔徑(30)展現對稱性，如第四a圖中所示。另一方面，這兩個完全相同的色散單位同樣將離軸帶電粒子聚焦，且第一分散單元(20)使具有正常能量的帶電粒子通過能量限制孔徑(30)的中心。在這種情況下具有正常能量的每個離軸粒子的軌跡顯示相對於能量限制孔徑(30)的反對稱性，如第四b圖中所示。雙對稱實現能量過濾，並同時確保離開的帶電粒子束具有一在單色器內且無第一級分散及像散的虛擬交叉。

每個分散單元包含一Wien過濾器及一散光像差補償器，且兩者的靜電場與磁場都沿光軸疊加。對於具有正常能量與一定的能量散佈的帶電粒子束而言，Wien過濾器產生所需的隨雙極磁場與靜電場強度改變的分散功率，以及隨分散功率改變的像散聚焦功率，如方程式(1.3)-(1.8)所示。散光像差補償器是受控制以產生一像散功率以補償Wien過濾器的像散聚焦功率。由於在像散產生處已完成補償因此來自每一分散單元的粒子束可達成無像散現象。因此每一分散單元具有一可獨立改變的分散功率以及一依附改變的共焦聚焦功率。

根據像散的補償，因為在色散方向散光像差補償器產生的負聚焦功率，Wien過濾器在分散方向的聚焦效應使分散功率減少被減弱。帶電粒子光束通過能量限制孔徑的能量散佈係由第一分散單元(20)的分散功率及能量限制孔徑(30)的尺寸(在分散方向)決定，因此離開帶電粒子束的能量散佈可藉由改變分散功率及/或改變在分散單元中能量限制孔徑尺寸。前者可以透過調整施加在Wien過濾器的電激發實現，因此可以連續。不過，分散功率的改變將會導致的共焦聚焦功率的改變，將打破基本軌跡的反對稱性，因此破壞由兩個分散單位(20及40)產生的像差的抵銷。

當分散功率改變或入射帶電粒子束改變時，為了要保持雙對稱，一粒子束調整元件係在兩個分散單元前設定。粒子束調整元件為磁性或靜電的圓形透鏡，其對焦功率為可變。粒子束調整元件作為一個可變的粒子束調適器。當入射帶電粒子束交叉及或正常能量可因一些好的原因改變及或第一分散單元的分散功率可被改變以獲得對於一特定尺寸的能量限制孔徑而言一所需的能量分散的減少，其聚焦的功率被調整為保持帶電粒子束在能量限制孔徑中心(第四b圖的S71)處具有一真實交叉。

因此，從入口側至出口側，本發明的單色器500包含一粒子束調整元件(100)、第一分散單元(200)、一能量限制孔徑(300)及一第二分散單元(400)，如第五圖所示。兩個分散單元具有相同的結構及方位，在相同激發中使用，以及對稱性地位於能量限制孔徑(300)的每一側。所有元件被設定並將其激發以確保在折射散佈及相對於能量限制孔徑的基本軌跡的雙對稱性。

本發明的單色器具有一直光軸且具有正常能量的帶電粒子因此不會被轉向遠離光軸。此一特性不僅使單色器易於生產並調整，同時不會產生實際上無法完全補償的離軸像差。此外，一帶電粒子束之虛擬共焦及無分散交叉形成於第一分散單元與能量限制孔徑之間，而不是帶電粒子束的一真實共焦交叉形成在單色器出口側。此虛擬交叉會是一需要單色器的裝置之後續光學的來源。在一方面，虛擬交叉的伯爾施效應(Boersch effect)也比真實交叉的伯爾施效應小。另一方面，虛擬交叉的位置更接近原始的帶電粒子源，並因此當單色器整合進入現有設計的電子顯微鏡如低電壓掃描式電子顯微鏡時所需的修改將比真實交叉少。根據所有上述的觀點，本發明的單色器提供一種基於低電壓掃描式電子顯微鏡原理改良低電壓掃描式電子顯微鏡及相關裝置成像解析度的有效方法。

本發明還提供了在掃描式電子顯微鏡中使用本發明的單色器的兩個實例。在第一個實例中如第七a圖所示，單色器被置於電子源600及一聚光鏡620之間，且一電流限制孔徑610被用來控制通過單色器的粒子束電流以降低單色器內部發生的電子相互作用。在第二個實例中如第八圖所示，單色器被置於一聚光鏡及一物鏡之間，而粒子束限制孔徑630控制單色器的入射粒子束電流。

之後本發明還提供了一具有雙比例對稱的Wien過濾器型單色器。與第四a圖及第四b圖中所示的雙對稱不同，雙比例對稱提供折射散佈與沿一相對於能量限制孔徑之直光軸的基本軌跡之間的一比例關係。因此二折射單元可為不相等但其折射功率具有一比例關係，且能量限制孔徑因此應位於由比例關係決定的平面，其中此平面可能不是位於二折射單元之中間平面。雙比例對稱提供單色器在製造與應用上更多的彈性。第九a圖及第九b圖中顯示此雙比例對稱。第十圖及第十一圖中顯示二具有雙比例對稱單色器的實施例。

其後，對於前述具有雙對稱或雙比例對稱的單色器而言，本發明更提供一種使用刀刃型粒子封阻器的方法以截斷具有較大能量變化的粒子。與之前通常需要在折射方向具有微小尺寸以獲得小能量散佈的能量限制孔徑相比，刀刃型粒子封阻器在製造上更為簡單且在獲得小能量散佈方面更為可行。第十二a圖至第十二c圖中顯示刀刃型粒子封阻器的三個實施例。

下一步將描述本發明的詳細敘述及機構。

本發明提供一Wien過濾器型的單色器以降低掃描式電子顯微鏡或帶電粒子裝置中主電子束的能量散佈。單色器形成相對於入射粒子束在折射散佈及沿直光軸之基本軌跡的雙對稱。雙對稱可確保來自帶電粒子源的入射帶電粒子束自單色器離開時之能量散佈減少，以及保持有效交叉直徑及傳播方向不變。

本發明還提供一種將單色器整合進入掃描式電子顯微鏡的方法。本發明的單色器有助於藉由減少主粒子束或成像粒子束的能量散佈以降低試片色散像差，同時不會導致粒子源尺寸的明顯增加。因此，試片上的探針點尺寸將藉由重新平衡因像差、繞射及粒子源尺寸造成的影像模糊而達成一較低值。因此，單色器提供一種根據低電壓掃描式電子顯微鏡的原理提高掃描式電子顯微鏡特別是低電壓掃描式電子顯微鏡及相關裝置的成像解析度的有效方法，例如半導體良率管理中的缺陷檢測與缺陷檢視。

作為本發明中提供的單色器之基礎的雙對稱包含分別關於能量限制孔徑之折射散佈中的一對稱及一基本軌跡中的反對稱。在顯示折射散佈中之對稱的第四a圖中，一具有正常能量V ₀ 及一能量散佈的軸上電子束50連續地沿Z軸進入兩個分散單元20與40。兩分散單元20與40結構相同且位於並對稱地朝向與光學Z軸垂直的平面31。每一分散單元的位置係由場區域中心定義。每個分散單元包含一Wien過濾器及一散光像差補償器，且兩者的磁場與電場彼此相互疊加。相同激發施加在每個Wien過濾器，以產生不會使具有正常能量V ₀ (例如61)的電子偏折但會使具有自正常能量V ₀ (例如71)改變之能量變化δV 的電子偏折所需的折射功率。如方程式(1.6)所示，能量變化δV 越大折射角度(例如α1與α2)就越大。隨能量變化改變的折射角度的特徵稱為折射散佈，且折射角度比K及能量變化δV 稱為分散功率。分散功率隨正常能量V ₀ 及可被施加在Wien過濾器上的電激發調整的磁偶極場改變。

一平板位於平面31上，其中一位於平板上的孔徑30與光軸Z對準。在第四a圖中，具有能量變化δV 的電子71的折射相對於平面31對稱地離開。分別由Wien過濾器產生在第一分散單元20及第二分散單元40中的二折射角度α1與α2彼此相等，即α1=α2，且均與能量變化δV 成正比。自第二分散單元40離開的電子71的軌跡虛擬地交叉光軸於自第二分散單元40的中心向後一距離L2的位置，其中

若所有高於第一級的項可被省略距離L2不會隨折射角α1改變。因此出射粒子束的第一級分散消失，且入射軸上粒子束成為一看來自二分散單元之幾何中心點S71發散的出射粒子束。

基本軌跡中的反對稱性係基於折射散佈對稱性。基於第四a圖中所示的內容，第四圖4b顯示基本軌跡中的反對稱性。在第四b圖中的每個分散單元(20及40)，散光像差補償器被激發以補償當Wien過濾器作動以達成第四a圖中所示的折射散佈對稱時出現且隨Wien過濾器分散功率增加而增加的像散。因此每一分散單元(20及40)在X與Y方向有相等的隨每一分散單元之分散功率增加而增加的聚焦功率f。

在第四b圖中，基本軌跡中的反對稱性可藉由若一具有正常能量V ₀ 的入射電子束62具有一原來在光軸上特定位置上的交叉62a達成。交叉62a位於第一及第二分散單元(20及40)之幾何中心點S71向前一距離L3的位置。若距離L3滿足下列條件，

其中f表示每個分散單元的聚焦功率。第一分散單元20將使入射電子束62聚焦且相應地將其交叉自位置62a向後移動至幾何中心點S71。然後，以相同的方式第二分散單元40將入射電子束62聚焦並最後將位於S71的交叉向後移動一距離L3至一位置62b。電子束62中具有正常能量V ₀ 電子的軌跡具有相對於第一及第二分散單元20與40的幾何中間平面31的反對稱性。

因此，第四a圖與第四b圖中所示的雙對稱可確保一電子束在中間平面31形成一真實交叉以及在自中間平面31向後一距離形成一虛擬交叉。在真實交叉內，具正常能量的電子集中進入至一光軸上的一小圓平面，且具有自正常能量偏離相同能量變化值集中進入至一位於遠離光軸位置的一小圓平面。能量變化值越大，圓平面離光軸就越遠。若孔徑30設定在真實交叉所在的中間平面，所有圓平面內具有離軸距離大於孔徑30內半徑的電子會被截斷。換句話說，通過孔徑30的電子的能量散佈將小於一由第一分散單元的分散功率及孔徑30內半徑決定的特定值。在虛擬交叉內，所有的電子集中進入一光軸上小圓平面。與進入第一分散單元20的粒子束相比，自第二分散單元40射出的粒子束具有較小能量散佈、一幾乎未變的交叉尺寸以及一向後移動的交叉。

第五圖顯示本發明一基於第四a圖與第四b圖中所示的雙對稱的單色器實施例。從電子粒子束入口側至出口側，單色器500包含一粒子束調整元件100、一第一分散單元200、能量限制孔徑300及一第二分散單元400。所有元件(100-400)排成一列並垂直光軸Z。二分散單元200與400構造相同且位於並對稱地朝向也是垂直光學軸Z的平面310。能量限制孔徑300係位於平面310。與第四a圖及第四b圖相比，每當入射電子束在交叉位置改變及/或正常能量為了一些好的理由及/或第一分散單元200的分散功率改變以改變在單色器後的電子束的能量散佈，在第五圖中加入粒子束調整單元100以確保維持雙對稱。換句話說，粒子束調整元件強化了單色器的適用性及彈性。

在第五圖中，粒子束調整元件100包含一可以是靜電或磁性的圓透鏡。每個分散單元(200、400)包含可以是靜電或磁性的一Wien過濾器及一散光像差補償器，兩者都沿Z軸相互疊加。能量限制孔徑300的形狀可為圓形、橢圓形、正方形或長方形。若孔徑形狀是橢圓或矩形，其較短軸或短邊係位於第一分散單元200的分散方向。在分散方向的孔徑尺寸係根據所需的能量散佈的減少程度及第一分散單元200的分散功率選擇。

第五圖中所示的單色器的操作方法將於第六a圖至第六f圖中逐步表示。第六a圖顯示粒子束調整元件100的的功能。S1是電子源或具有正常能量V ₀ 及原始能量散佈±△V ₀ 且能量散佈將被減為±△V ₁ 的電子束交叉。若S1為一電子束交叉，其可位於單色器的入口側或出口側。S2係由方程式(2.2)所示的方式所決定形成基本軌跡中的反對稱所需的位置。因此粒子束調整元件100一開始將來自電子源S1的電子束聚焦以形成一在進入第一分散單元200前於S2會聚的粒子束。更具體地說，粒子束調整元件100的聚焦功率隨入射電子束交叉的初始位置S1的改變以及第一分散單元200的聚焦功率f而改變。後者隨第一分散單元200的分散功率改變。

第六b圖與第六c圖顯示第一分散單元200對入射粒子束分別在XOZ平面及YOZ平面上的影響。在第一分散單元200中的Wien過濾器被激發以滿足Wien條件並產生一所需的X方向折射散佈於入射電子束。第一分散單元200中的散光像差補償器被激發以補償在在第一分散單元200中的Wien過濾器產生的像差。在像差補償後殘餘的共焦聚焦功率f將入射粒子束聚焦在中間平面310上形成一自第六a圖中所示S2向後的真實交叉。由於Wien過濾器的X方向折射散佈，只有具有正常能量的電子會集中進入一軸上圓平面S3。根據磁偏折方向，由具有能量變化δV (>0)與-δV 的電子形成的圓平面S4與S5分別自光軸的X與-X方向偏移。能量變化δV 越大，離軸偏移也越大。在Y方向，圓平面S3、S4與S5的光碟均位於光軸如第六c圖所示。

第六d圖顯示能量限制孔徑300的電子散佈。在第六d圖中，只顯示具有正常能量V ₀ 的電子顯示以及六個特定的能量變化，且以一圓形孔徑300為例。能量限制孔徑300的內半徑等於具有能量變化±△V ₁ 之電子的離軸偏移。如此，電子束帶著減少的能量變化±△V ₁ 自孔徑300離開，但一擴大的交叉在X方向的尺寸等於能量限制孔徑300的內直徑。減少的能量變化±△V ₁ 由第一分散單元的分散功率及能量限制孔徑在第一分散單元在分散方向的尺寸決定。

第六e圖與第六f圖顯示第二分散單元400在入射粒子束上產生的效應。第二分散單元400與第一分散單元200於相同的激發中作用。因此，第二分散單元400如同第一分散單元200對孔徑300前的電子束所作的一般將來自中間平面310中真實交叉的電子束折射及聚焦。如第六e圖中所示在XOZ平面上，第二分散單元400不僅將圓平面S3-S5自中間平面310向後移動一相同的距離，同時消除存在於真實交叉在X方向的圓平面偏移。如第六f圖中所示在YOZ平面上，第二分散單元400將圓平面S3-S5如同在XOZ向後移動一相同的距離。因此，自第二分散單元400離開後，自第六b圖及第六c圖所示三個圓平面S3-S5離開的電子實際上幾乎在光軸Z上相同的位置交叉並形成一虛擬交叉S6。虛擬交叉S6係位於第一分散單元200及中間平面310之間，並在未損失主要部份情況下具有一遠比第六d圖中所示的能量限制孔徑300內直徑或能量限制孔徑300在分散方向的尺寸小的尺寸。

第七a圖與第八圖分別顯示使用上述及第五圖及第六a圖至第六f圖所示單色器的掃描式電子顯微鏡的兩個實施例。為了簡單起見，並未顯示偏向掃描。在第七a圖中，一電子源600發射沿光軸Z的電子束700。一第一電流限制孔徑610切斷電子束700的一部分，以限制電子束電流進入單色器500。單色器500中一大電子束電流在電子束聚焦範圍內將產生一強電子交互作用，尤其是在位於能量限制孔徑300中心區域的真實交叉，因此在單色器中出現一額外能量散佈及一交叉尺寸增加。因此，必須限制電子束電流至一能使電子相互作用之效應不明顯程度的範圍。

在第七a圖的單色器500中，起初電子束被粒子束調整元件100聚焦成所需的會聚粒子束。然後會聚粒子束分散並被第一分散單元200聚焦。具體地說，具有正常能量的電子實質上直線通過並形成一在光軸上及能量限制孔徑300中心的共焦真實交叉，具有相同相對於正常能量的能量變化的電子則被偏折並形成一遠離光軸但卻是在能量限制孔徑300所在平面上的共焦真實交叉。電子的能量變化越大，交叉離光軸就越遠。能量限制孔徑300然後將能量變化在所需範圍±△V ₁ 外的電子切斷，以使離開的電子束具有一已減少的能量分散±△V ₁ 。

隨後在第七a圖的單色器500中，從能量限制孔徑300出來的電子將進入第二分散單元400。第二分散單元400與第一分散單元200以相同方式運作。因此第二分散單元400使電子自每個能量限制孔徑300上的交叉偏折遠離具有相同角度的光軸並將電子聚焦以如同第一分散單元200一般，在一自最後對應真實交叉向後相同軸上距離的位置形成一位置虛擬交叉。不過，此處所有虛擬交叉虛擬地位於光軸上同一處。因此，所有從單色器離開的電子看來像從虛擬電子源602射出且具有在所需範圍±△V ₁ 內的能量變化。

在第七a圖中，從單色器500離開的電子束然後進入一傳統的掃描式電子顯微鏡的後續成像系統，並由聚光鏡620及物鏡640聚焦到試片650的表面上。聚光鏡及粒子束限制孔徑630一起控制最終探針電流。事實上，粒子束限制孔徑630具有與能量角度過濾相同的額外效應，如第七b圖所示。雖然所有從單色器500離開的電子均於光軸上的同一位置602虛擬交叉，但具有能量變化的電子累積第一及第二分散單元200及400產生的折射角。因此，具有相同能量變化的電子具有一在粒子束限制孔徑630上的相等額外橫移，且一些具有較大極角的電子將被粒子束限制孔徑630阻擋，如第七b圖的陰影部分所示。能量變化是越大，不會通過粒子束限制孔徑630的電子越多，所以粒子束限制孔徑630實際上進一步減少進入後續將電子束聚焦在試片650上的物鏡640之電子束的有效能量散佈。因此探針點的色散像差將會減少且探針點的尺寸將小於沒有使用單色器的探針點。

眾所周知的是由於具有能量變化大於限制值的電子會被切斷使得使用單色器提高成像解析度會犧牲一部分探針束電流。對於需要使用大探針束電流的應用而言，除了粒子束調整單元100之外單色器500可被停用，如第七c圖中所示。在此情況下，粒子束調整單元100將取代原來的聚光鏡620作為聚光鏡。通常較接近電子源並且更遠離粒子束限制孔徑的聚光鏡會產生一比相反條件情況下較小的像差。

第八圖顯示使用單色器的掃描式電子顯微鏡的另一實施例，其中掃描式電子顯微鏡原本就具有位於物鏡640前一固定位置的真實交叉602。在第八圖中，電子源600沿光軸Z發射一電子束700。聚光鏡620及粒子束限制孔徑630控制進入單色器的粒子束電流。隨後在單色器500中，電子束將經歷如第七a圖中所述的相同能量過濾。從單色器500離開的粒子束具有虛擬交叉602及減少的能量散佈。對於需要使用大探針束電流的應用而言，除了粒子束調整單元100之外可以停用單色器500。在此情況下，粒子束調整單元100可將電子束聚焦以在相同位置具有一真實交叉620。然後物鏡640將電子束聚焦在試片650的表面。因此探針點的色散像差將會減少且探針點的尺寸將比沒有使用單色器的探針點小。

回到第四a圖，若分散單元20與40之折射角α1與α2彼此不相等但具有一比例對稱關係，其顯示於方程式(2.3)，距離L₂ 會改變比例關係如方程式(2.4)中所示。類似於方程式(2.1)，距離L₂ 並不隨折射角α1改變，若省略所有高於第一級的項。此時離開粒子束的第一級散佈消失且二分散單元之分散功率簡單地具有如方程式(2.5)所示的一比例關係。因此二具有分散功率比例關係的分散單元亦可實現無分散交叉的能量過濾。

tan(α 2)=k ．tan(α 1) (2.3)

K ₂ =k ．K ₁ (2.5)

第九a圖與第九b圖顯示這種情況下的分散補償與基本軌跡。在第九a圖中，二分散單元20P與40P及一能量限制孔徑30P沿一光軸Z對齊。一沿軸電子束50沿光軸Z移動並連續通過第一分散單元20P、能量限制孔徑30P與第二分散單元40P。對於一具有自電子束50之正常能量偏離之一能量的電子71而言，二分散單元20P與40P之分散功率被設定使折射角α1與α2具有一方程式(2.3)所示之比例k。離開第二分散單元40P後電子71的軌跡虛擬地通過光軸自第二分散單元40P中心倒回距離L₂ 的位置，且距離L₂ 取決於如方程式(2.3)所示之比例k。交叉點P71將二分散單元之間的區間L₁ 區分為二區間L₄ 與L₂ 。根據方程式(2.4)，區間L₄ 與L₂ 的比例亦等於比例k。平面32垂直於光軸Z並包含交叉點P71。能量限制孔徑30P係位於平面32。因此二分散單元形成一相對於平面32或能量限制孔徑30P的分散之比例對稱。

每一分散單元20P與40P可僅具有一Wien過濾器或具有一Wien過濾器與一可補償Wien過濾器之像散的散光像差補償器。在第九a圖所示之分散補償的基礎上，第九b圖顯示當每一分散單元具有一Wien過濾器與一散光像差補償器的基本軌跡。如上述每一分散單元因此在X與Y方向具有隨分散功率增加的相同聚焦功率。在第九b圖中，具有正常能量V ₀ 電子束62原本在光軸上並介於交叉點P71與第二分散單元40P之間的特定位置62a具有一交叉。若交叉點P71與交叉62a之間的距離L₃ 滿足以下條件，

其中f ₁ 表示第一分散單元20P的聚焦功率，第一分散單元20P會將入射電子束62聚焦並因此將其交叉點自交叉62a向後移至交叉點P71，換言之，至能量限制孔徑30P的中心。接著第二分散單元40P會將電子束62聚焦並且將交叉點P71向後移動一距離L₅ 至L₂ 位置62a。距離L₅ 改變第二分散單元40P之聚焦功率f ₂ ，如方程式(2.8)所示。在成比例關係的區間L₄ 與L₂ 中，電子束62中的電子軌跡相對於能量限制孔徑30P具有反對稱性。

因此二分散單元20P與40P形成第九a圖與第九b圖所示之分散的雙重比例對稱及基本軌跡，其可確保一電子束於平面32上形成真實的分散交叉以及首先形成於平面32上接著向後移動距離L₅ 的無分散虛擬交叉。與第四a圖及第4b圖中所示的雙對稱相比，雙重比例對稱提供更多的可能性以實現一具有無分散交叉之能量過濾。

第十圖顯示本發明一基於第九a圖與第九b圖所示之分散的雙重比例對稱之單色器的實施例。自電子束進入一側至離開的一側，單色器500P包含一粒子束調整元件100P、一第一分散單元200P、一能量限制孔徑300P及一第二分散單元400P。所有的元件(100P~400P)均對齊並垂直於光軸Z。二分散單元200P與400P之分散功率設定為具有一比例k，且能量限制孔徑300P係位於平面320。平面320將二分散單元200P與400P之間的區間L₁ 以比例k區分為二區間L₄ 與L₂ 。與第九a圖與第九b圖相比，加入粒子束調整元件100P以確保入射電子束不論是在某些好的理由之下交叉位置及或正常能量改變時，及或在通過單色器後第一分散單元200P的分散功率改變以改變電子束的能量散佈時，能維持雙重比例對稱。換句話說，粒子束調整元件增強了單色器的應用性與彈性。

在第十圖中，粒子束調整元件100P包含一可為靜電或磁性的圓透鏡。二分散單元200P與400P可僅包含一Wien過濾器或包含一Wien過濾器與一可為靜電或磁性的散光像差補償器。能量限制孔徑300P的形狀可為圓形、橢圓形、正方形或長方形。能量限制孔徑300P在分散方向的孔徑尺寸選擇係根據所需的能量散佈縮減以及第一分散單元200P的分散功率。

第十一圖顯示本發明另一就第九a圖與第九b圖所示之分散的雙重比例對稱的變化而言之單色器510P的實施例。自電子束進入一側至離開的一側，單色器510P包含一第一分散單元210P、一粒子束調整元件110P、一能量限制孔徑310P及一第二分散單元410P。所有的元件(110P~410P)均對齊並垂直於光軸Z。能量限制孔徑310P係位於平面330。平面330將二分散單元210P與410P之間的區間L₁ ，二區間L₄ 與L₂ 的比例未必為1。第一分散單元210P的分散功率及粒子束調整元件110P的聚焦功率均設定為獲得一入射粒子束在平面330或能量限制孔徑310P上所需的分散及一真實的交叉，而第二分散單元410P的分散功率設定為形成入射粒子束在平面330上無分散虛擬交叉。

與單色器500P相同，單色器500P與510P能被以第七a圖與第八圖所示的方式應用在掃描式電子顯微鏡上。此外，單色器500P與510P能提供更多在製造與應用上的彈性。對於單色器500P而言，若有需要射出電子束虛擬交叉602(第七a圖與第八圖中)非常接近電子源600的應用時，二分散單元的比例k可被設定為小於1。若有需要能量散佈縮減的應用，而能量限制孔徑300P須具有製造上有困難的小尺寸時，使用一較大的比例k值可移動能量限制孔徑300P靠近第二分散單元400P，以使能量限制孔徑300P的所需尺寸增加。

請再次參考第四a圖(或第九a圖)，一所需的能量散佈縮減值可能需要能量限制孔徑30(或30P)具有一在分散方向(在X方向)的微小尺寸，其在製造上可能十分困難。此時能量限制孔徑可由二各自具有一刀刃邊緣的平板形成。二平板之二刀刃邊緣在分散方向上彼此相對以形成一與光軸對齊之狹縫。藉由預先調整每一在分散方向上的刀刃邊緣位置，狹縫的尺寸可變得非常小。對於一僅需要截斷具有大於或小於一特定值之能量的電子的應用而言，類似於高通過率的過濾或低通過率的過濾，可藉由使用單一刀刃邊緣完成電子阻斷。

以第十圖中的單色器500P為例，第十二a圖至第十二c圖中顯示刀刃型粒子封阻器的三個實施例。在第十二a圖中，單色器500P-B1包含二平板300P-1與300P-2，其中二平板之二刀刃邊緣K1與K2位於相同平面320上，並在X方向(分散方向)上彼此相對以形成一涵蓋光軸Z之狹縫。為了避免二刀刃邊緣在調整狹縫尺寸時發生碰撞的可能性，刀刃邊緣K1與K2可被設置在二不同的平面上。與第十二a圖成對比，第十二b圖中的刀刃邊緣K1係位於比平面320更靠近第二分散單元400P的平面321上。在第十二c圖中，僅使用單一刀刃邊緣阻斷具有高於一特定值或低於一特定值之能量的電子。在未喪失共通性的前提下，前述的所有方法(例如使用能量限制孔徑或刀刃邊緣)以及其用於阻斷電子的對應實施例一般係分別藉由粒子阻斷裝置與粒子阻斷單元所指出。

在本發明中，提供一種能減少主要電子束能量散佈的掃描式電子顯微鏡中的單色器，其用來減少成像的色散色差，以改善掃描式電子顯微鏡的最終成像解析度，尤其是基於低電壓掃描式電子顯微鏡原理的低電壓掃描式電子顯微鏡及相關裝置。單色器使用Wien過濾器作為分散元件以沿一直光軸進行能量過濾，基本上避免引起實際上無法補償的離軸像差。雙重比例對稱性形成於單色器中，其包含相對於在粒子阻斷單元內的一平面的折射散佈與基本軌跡之間的一比例關係。雙重比例對稱性與粒子阻斷單元實現能量取向過濾(高通過率、低通過率與帶狀通過)，同時確保離開的帶電粒子束具有一在單色器內且無第一級分散與像散的虛擬交叉。與先前技術中位於單色器出口側的一真實交叉相較，單色器內一虛擬交叉會產生較少的電子交互作用並僅需要對掃描式電子顯微鏡原始設計作較少的修改。此外，本發明的單色器當應用於一裝置時比先前技術具有更廣泛的適用性與更強的彈性。本發明還提供了兩種將單色器整合進入掃描式電子顯微鏡的方法，其一就是將單色器置於電子源與聚光鏡之間，而另一個是將單色器置於粒子束限制孔徑與物鏡之間。前者提供額外能量角度過濾，並且比後者獲得一較小的有效能量散佈。

雖然以上已描述本發明的特定實施例，必須理解的是對於本領域具有一般技術者而言，藉由上述說明內容，將可理解仍有其他與所述實施例相同的實施例。因此必須理解的是本發明並不受限於所示特定實施例，而僅受限逾本發明申請專利範圍之範圍。