TWI631591B - 非侵入性帶電粒子束監控器 - Google Patents

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約翰 格爾林
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Abstract

一種經放置成緊密靠近一非相對論性帶電粒子束之一設計軌跡的電磁尾場偵測器回應於該帶電粒子束之通過而產生一光學信號而不中斷該帶電粒子束。一光子偵測器接收該光學信號且產生一對應輸出。該尾場偵測器可係基於電光效應。明確言之，該偵測器可量測該帶電粒子束對在一附近電光波導中平行於該束行而行進之一輻射束之相位的影響。提供本摘要以遵守要求一摘要將容許一檢查官或其他讀者快速確定技術揭示內容之標的的規則。在理解本摘要不會用以解釋或限制申請專利範圍之範疇或含義的情況下，提交本摘要。

Description

非侵入性帶電粒子束監控器 [優先權主張]
本申請案係非臨時且主張Tomas Plettner及John Gerling共有、同在申請中之於2013年9月17日申請且標題為「ELECTRO-OPTIC ELECTRON BEAM MONITOR」之美國臨時專利申請案第61/878,609號之優先權利，該案之全文以引用的方式併入本文中。
本發明之態樣係關於帶電粒子束診斷學，且更特定言之係關於一種用於SEM工具及其他基於帶電粒子之系統之各種非侵入性束診斷能力之設備及方法。
在傳統SEM工具中，藉由在槍或柱中之某一平面處攔截束電流而判定該束電流。此入侵性束監控需要攔截該束以判定其電流，且因此無束衝擊在影像平面處且SEM柱未成像。為規避此，若應週期性地監控束電流，則將一特定「工作週期」強加於系統。此消極地影響SEM系統之處理量。
在獲得束位置之當前方法中，藉由一「擺動(wobble)」函數判定相對於柱內部之光軸之束位置，該「擺動」函數自其等標稱值有意地擾動該柱中之一或多個元件以判定束位置。當以擺動函數設定時，該柱無法用於成像。因此，此方法亦強加一工作週期，其中在束漂移時必須週期性地實施之一特定監控或調諧功能損失有用成像時間之一小 部分。
許多SEM工具可收集之另一重要束特性係一次電子束之一能譜。本發明之發明者已知之能譜收集之全部現有方法涉及能譜偵測之一侵入性手段，諸如將束引導至放置於束路徑中之一分散平面處之一偵測器陣列中。電子束被捕獲且結束於一光譜儀之偵測器平面處。
在粒子加速器中，使用在含有一電荷聚束(a bunch of charges)之一束通過其時產生一影像電荷之一對板。該等影像電荷在該束通過其時產生脈衝。來自兩個板之脈衝之間之差可判定該束相對於該等板之間之軸之位置。兩個板處之脈衝之總和與聚束電荷成比例。在脈送該束及峰值電流相當大(例如，1安培至1千安培之數量級)之條件下，此十分有效。對於許多帶電粒子束工具(諸如電子顯微鏡)，束係連續的且電流極弱(奈安培)。
對於極短帶電粒子束脈衝(例如，飛秒)，電光晶體有時用以取樣來自粒子加速器中的聚束電子束之場。可用一雷射束探測電光晶體之折射指數之改變。
本發明之態樣於此內容背景內產生。
201‧‧‧帶電粒子束/束
202‧‧‧電光(EO)介質
203‧‧‧參考束
204‧‧‧馬赫-陳爾德干涉儀/干涉儀
205‧‧‧探測束
206‧‧‧第一分束器
208‧‧‧第一鏡
210‧‧‧第二分束器
212‧‧‧第二鏡
214‧‧‧光學偵測器
216‧‧‧束捕集器
218‧‧‧目標
221‧‧‧二次粒子
222‧‧‧二次粒子偵測器
224‧‧‧信號處理器
225‧‧‧輸出信號
301‧‧‧帶電粒子束/束
302‧‧‧電光(EO)材料
304‧‧‧偏振分束器
314‧‧‧光學偵測器
316‧‧‧束捕集器
318‧‧‧目標
321‧‧‧二次粒子
322‧‧‧二次粒子偵測器
324‧‧‧信號處理器
325‧‧‧輸出信號
401‧‧‧帶電粒子束/束
402‧‧‧電光(EO)材料/電光(EO)介質
501‧‧‧帶電粒子/帶電粒子束
502‧‧‧電光(EO)材料平板/電光(EO)材料
503‧‧‧電阻性塗層
505‧‧‧自由空間光學器件/光學器件
506‧‧‧第一分束器
507‧‧‧光學隔離器
509‧‧‧第二組自由空間光學器件
510‧‧‧第二分束器
511‧‧‧第三組自由空間光學器件
514‧‧‧暗埠偵測器
516‧‧‧亮埠偵測器
801‧‧‧帶電粒子束/帶電粒子
802‧‧‧電光(EO)材料平板/電光(EO)材料
803‧‧‧電阻性塗層
805‧‧‧自由空間光學器件
807‧‧‧光學隔離器
809‧‧‧第二組自由空間光學器件
810‧‧‧偏振分束器
811‧‧‧第三組自由空間光學器件
814‧‧‧暗埠偵測器
816‧‧‧亮埠偵測器
900‧‧‧帶電粒子束系統/系統
901‧‧‧目標/樣本
902‧‧‧帶電粒子光學柱/電子束柱/光學柱
903‧‧‧一次束
904‧‧‧浸沒透鏡
906‧‧‧靜電偏轉板/束偏轉板/線圈
908‧‧‧束掃描器驅動器/成像裝置掃描器驅動器/掃描器驅動器
910‧‧‧二次粒子偵測器/二次偵測器
911‧‧‧載物台掃描機構/載物台掃描器
912‧‧‧放大器
914‧‧‧影像產生器
915‧‧‧電子源/源
916‧‧‧影像分析器
917‧‧‧二次電子/所收集電子
918‧‧‧載物台
919‧‧‧載物台掃描器驅動器
920‧‧‧控制器
921‧‧‧電源供應器
922‧‧‧中央處理器單元(CPU)
923‧‧‧輸入/輸出(I/O)功能
924‧‧‧記憶體
925‧‧‧程式碼/代碼
926‧‧‧時鐘
927‧‧‧使用者界面
928‧‧‧支援電路
929‧‧‧顯示單元
930‧‧‧控制系統匯流排
932‧‧‧大量儲存裝置
934‧‧‧快取區
935‧‧‧束光學元件/束光學器件
936‧‧‧電子器件/束驅動器
940‧‧‧電光束偵測設備/電光(EO)偵測器設備/電光(EO)偵測器/設備
942‧‧‧光子偵測器
944‧‧‧信號處理器
1000‧‧‧設備
1001‧‧‧帶電粒子束/束
1014‧‧‧光子偵測器
1024‧‧‧信號處理器
1040‧‧‧電光(EO)偵測器
1100‧‧‧能譜分析儀
1101‧‧‧帶電粒子束
1200‧‧‧系統
1201‧‧‧帶電粒子束
1202‧‧‧彎道
1204‧‧‧第一磁性扇區
1206‧‧‧第二磁性扇區
1207‧‧‧波導陣列
1208‧‧‧磁性扇區
1210‧‧‧磁性扇區
1301‧‧‧帶電粒子束
1302‧‧‧電光(EO)晶體
1303‧‧‧光學器件
1304‧‧‧偏振分束器/分束器
1305‧‧‧影像增強器
1314‧‧‧偵測器陣列
A‧‧‧束信號(圖2&圖3)/光子信號(圖9A)/光軸(圖4A&圖4B)
B‧‧‧樣本信號/二次信號/二次粒子信號(圖9A)
C‧‧‧晶軸
e‧‧‧電子
F‧‧‧偏振保持光纖
g‧‧‧間隙
G1‧‧‧第一光柵耦合器/第一光柵
G2‧‧‧第二光柵耦合器
L‧‧‧雷射/光源
P‧‧‧路徑
R‧‧‧輻射束/輻射/準直探測束(圖13)
R 2 ‧‧‧束/輻射
S‧‧‧基板
W‧‧‧波板
WG‧‧‧波導
WG a 至WG h ‧‧‧波導部分
VA‧‧‧可變衰減器
VP‧‧‧可變相位控制
在閱讀以下[實施方式]且參考隨附圖式之後將明白本發明之目標及優勢，其中：
圖1示意性地圖解說明根據本發明之態樣可如何使用一帶電束與一電光材料之間之相互作用以探測束特性。
圖2描繪根據本發明之一態樣之使用一干涉儀裝備實施之一電光帶電粒子束偵測器。
圖3描繪根據本發明之一態樣之使用用於雜訊消除之偏振旋轉而實施之一電光帶電粒子束偵測器。
圖4A展示藉由垂直於一帶電粒子束而引導之一雷射束探測一塊 體EO材料以量測一通過單一帶電粒子之影響。
圖4B展示根據本發明之一態樣之沿平行於一帶電粒子束之一EO材料傳播之一雷射。
圖5係根據本發明之態樣之一波導電子偵測器之一示意圖。
圖6係描繪來自圖5中所展示的類型的一波導電子偵測器中之一單一電子之偵測之一預期脈衝輪廓之一圖表。
圖7係標繪針對圖5中所展示的類型的一波導電子偵測器給定探測光之一特定波長而偵測之每電子之暗埠光子之一預期數目之一圖表。
圖8係根據本發明之一態樣之一替代帶電粒子偵測器系統之一示意圖。
圖9A係根據本發明之一態樣之一帶電粒子束系統之一示意圖。
圖9B係圖9A之帶電粒子束系統之一方塊圖。
圖9C圖解說明根據本發明之一態樣之用於針對一軸平面中之一給定束幾何形狀而判定孔徑大小及波導以及波導之長度之一數值實例。
圖10A至圖10B圖解說明根據本發明之一態樣之一束位置監控器。
圖11圖解說明根據本發明之一態樣之一能譜分析儀。
圖12詳述根據本發明之一態樣之一能譜分析儀之另一實施方案。
圖13圖解說明根據本發明之一態樣之一束輪廓監控器。
在以下[實施方式]中，對形成其一部分之隨附圖式進行參考，且在隨附圖式中經由圖解來展示可實踐本發明之特定實施例。該等圖式展示根據實施例之實例(本文中亦稱為「實例」)之圖解。足夠詳細描 述該等圖式以使熟習此項技術者能夠實踐本標的。在不脫離所主張之標的之範疇之情況下可組合該等實施例、可利用其他實施例或可進行結構、邏輯及電改變。在此方面，關於所描述之(若干)圖之定向而使用指向性術語(諸如「頂部」、「底部」、「前面」、「背面」、「在前」、「在後」等)。因為可以若干不同定向定位本發明之實施例之組件，所以指向性術語係用於圖解之目的且絕非限制。應瞭解，在不脫離本發明之範疇之情況下可利用其他實施例及進行結構或邏輯改變。
在此文獻中，如專利文獻中常見，術語「一」及「一個」用以包含一個或一個以上。在此文獻中，除非另有指示，否則術語「或」用以指代一非排他的「或」，使得「A或B」包含「A而非B」、「B而非A」及「A及B」。因此，以下[實施方式]不應以限制性意義理解，且本發明之範疇係由隨附申請專利範圍界定。
如本文中所使用，術語「光」大體上係指由在自紅外線至紫外線之一頻率範圍(大致上對應於自約1奈米(10-9米)至約100微米之一真空波長範圍)內某處之一頻率表征之電磁輻射。
介紹
一種使用一連續波(CW)探測束之用於一掃描電子顯微鏡(或類似工具)之電光(EO)偵測器主要試圖使用EO效應偵測單一電子。例如，1keV奈安培電子束中之電子間隔開約3mm。若偵測器包含在帶電粒子束之方向上長約1mm之一EO材料，則在任何給定時間僅約一個電子正經過該偵測器。
一單一電子之場極弱且因此EO材料中之指數調變極弱。根據本發明之態樣，可藉由大致上平行於附近帶電粒子束之方向引導一探測束使其通過EO材料而增加其中調變折射指數或探測束偏振之路徑長度。該想法在於對探測束進行頻率調變以與帶電粒子共同傳播。此可藉由將EO材料併入至一波導型結構之部分中而實施。電磁輻射之一 探測束(例如，來自一雷射)可耦合至一薄EO晶體平板波導中。期望使用具有一大EO係數之一EO材料。舉實例而言(且不限於)，KTaLiNbO3具有約1400pm/V之一電光係數r33。波導中探測束之群速度可匹配於束中之帶電粒子速度。舉實例而言(且不限於)，帶電粒子束能量可經調整以匹配群速度。或者，波導之橫截面大小及/或形狀可經調整以控制波導中探測束之群速度。廣泛及一般而言，波導中探測束之群速度以一略微相反方式取決於波導之最寬橫向尺寸。一光子偵測器可定位於一干涉儀之暗埠處使得折射指數之調變產生源自一暗條紋之干擾之一信號。
根據本發明之態樣，針對一帶電粒子束感測器提出的架構可包含：一組一或多個電磁尾場(wakefield)偵測器，其等經放置而緊密靠近一非相對論性帶電粒子束之一設計軌跡，其中該組一或多個尾場偵測器經組態以回應於帶電粒子束之通過而產生一或多個光學信號而不中斷該帶電粒子束；及一組一或多個光子偵測器，其等經組態以接收該一或多個光學信號且產生一或多個對應輸出。在一些實施方案中，該組一或多個電磁尾場偵測器經組態以實施一多功能束監控器，該多功能束監控器實施以下功能之兩者或更多者：束電流監控、束位置監控、束能譜分析或束輪廓監控。
根據本發明之另一態樣，一組一或多個電光材料經放置而緊密靠近一帶電粒子束之設計軌跡。一或多個輻射源及偏振器/分析器配置可經組態以探測束之一帶電粒子的通過對EO材料之影響及其歸因於電光效應之電磁尾場。一組一或多個光子偵測器記錄由於電子影響電光材料之折射指數而引起之探測束之一相位改變或偏振改變。(若干)光子偵測器可耦合至偏振器/分析器配置之光學暗埠以偵測電子之通過。
前述元件之精確組態及幾何構造取決於目標偵測應用。
對於較高束電流，可藉由使探測束橫穿兩個EO晶體及帶電粒子束通過之該等晶體之間之一間隙來在一橫向方向上成像一脈送或CW帶電粒子束之束密度。
根據本發明之態樣，一電光設備可經組態以操作為一線內(in-line)束電流監控器。在此一組態中，一對電光晶體經放置而自相對側面向一帶電粒子束軌跡。一光學探測束橫穿兩個晶體且探測其等折射指數。一偏振器-分析器光學配置可用以偵測帶電粒子通過兩個晶體之間之間隙。兩個晶體之配置可經選擇使得電光信號之量值與束位置之相依性被最小化。
所偵測之光學相移(干涉或偏振旋轉)與帶電粒子束電流量成比例且可用以消除一次束中之雜訊。此偵測方法受限於雷射光子束散粒雜訊，若每偵測事件之光子之數目大於每偵測事件之帶電粒子之數目，則可使雷射光子束散粒雜訊小於帶電粒子束散粒雜訊。因此，此可提供一種用於電子束散粒雜訊之雜訊消除方法，且容許處理量增加(每像素需要較少電子，此係因為現在量測一次束電流)。
根據本發明之另一態樣，一電光設備可經組態以操作為一束位置監控器(BPM)。在各材料中單獨讀取發生於帶電粒子束所通過之一真空間隙之任一側上之EO材料中之電光旋轉之信號且減去該等信號。所得信號與帶電粒子束相對於兩個晶體之位置線性相依。因此，經處理信號對應於束質心之位置。另一方面，信號之總和亦將提供一束電流讀數。藉由使用沿x方向及y方向定向之成對晶體，可讀取帶電粒子束之中心位置而不使該束停止。
根據本發明之另一態樣，一電光設備可經組態以操作為一束輪廓監控器。在此一組態中，帶電粒子束在一方向上橫穿兩個EO晶體之間之一間隙，且一準直光學探測束行進通過兩個晶體且在一正交方向上穿過該間隙。準直探測束以將EO晶體之一者之面成像至一偵測 器陣列上之一方式(例如，以一偏振器-分析器模式且以暗埠組態)而輸送至一偵測器陣列。晶面附近之束電流密度產生與該束電流密度成比例之一空間相依偏振旋轉。將晶面處之此空間相依偏振旋轉成像至光子偵測器陣列上。為容許探測束之一淺聚焦深度且成像束輪廓，一四極(線聚焦)束輸送方案可用於帶電粒子束。
根據本發明之另一態樣，一電光設備可經組態以操作為一能譜分析儀。在此一組態中，在一分散平面(如一彎道(chicane))處執行之束電流監控產生束之能譜，且若存在束能量抖動，則由此讀取建構之一監控器可用作至一束控制電子器件之一伺服信號以穩定束能量。若需要使EO波導之群速度匹配於電子速度，且波導具有固定實體尺寸，則對於每個束速度能譜分析儀僅可允許一個波導設計。在此一情況中，能譜分析儀可利用類似於X-Y配置之含有不同尺寸的若干波導之一多波導配置以適應不同群速度。
根據本發明之另一態樣，一電光設備可經組態以針對一電子束或針對其他帶電粒子束(例如，離子、牟子(muon)、正子(positron))如上述般操作。
在該方法之一些替代實施方案中，其他可能偽非輻射方案涉及藉由附近的一組導電板(一經典束位置監控器或BPM)形成自由電子之一影像電荷。與所監控之束電流相比，由影像電荷產生之電流脈衝極小，但該脈衝可運用足夠電子放大來偵測且因此必須經電子地放大。
運用此新穎量測方法，未破壞電子束。因此，該方法可提供不影響工作週期之束伺服機構，從而改良處理量。此外，此方法針對所獲取影像在雜訊消除及對應信號對雜訊比中之應用係此IP申請案之主要動力。此方法容許改良信號對雜訊比而不改變一現有SEM平台之基本架構的可能性。因此，且運用足夠靈敏以偵測單個電子之一EO偵測方案，將散粒雜訊消除應用於影像平面處之一給定束電流容許信號 對雜訊比之一對應改良。或者，SIN可保持固定且每像素之束劑量可下降，導致來自較低束電流(較低庫倫(Coulomb)相互作用、來自較大NA束之相差等)之較高處理量及較佳解析度的可能性。
實例
圖1圖解說明如根據本發明之態樣使用之一電光裝置後面之基本概念。在一電光(EO)裝置中，一材料之光學性質回應於該材料中電場之一改變而改變。由於帶電粒子(諸如電子)產生電場，故電光材料可用以偵測一連續束中之電子(如在一掃描電子顯微鏡(SEM)中)。
明確言之，如圖1中所見，一電子e攜載有與附近電光材料EOM相互作用之一電場 E 。對於一線性電光材料，其折射指數經歷與電子之阻滯場的電場分量成線性關係之一改變。此效應通常稱為泡克耳斯效應(Pockels effect)。橫穿一電光材料之一輻射束R(例如，一雷射束)歸因於源自一通過的帶電粒子束之電場之折射指數之改變而經歷一相位改變(光學阻滯)。該相位改變與電場成比例，該電場繼而與粒子束中之電荷或電流成比例。本發明之態樣係關於藉由偵測橫穿緊密靠近一帶電粒子束之一電光介質之一探測雷射束之相位改變而偵測小達一單一自由非相對論性電子之通過。
藉由以下方程式給出折射指數：
藉由以下方程式給出相位改變： 已使用電光材料來量測帶電粒子加速器中的束脈衝。圖2示意性地圖解說明用於此等目的之一類型的設備200。在設備200中，一EO介質202經放置於一帶電粒子束201之一路徑旁邊。在一馬赫-陳爾德干涉儀(Mach-Zehnder interferometer)204中，將來自一雷射L之一輻射束R 分成一參考束203及一探測束205。探測束及參考束在垂直於帶電粒子束201之行進方向之一方向上橫穿EO介質202。參考束203遵循自第一分束器206至一第一鏡208及自該第一鏡至一第二分束器210之一路徑。探測束205遵循自第一分束器206至一第二鏡212及自該第二鏡至其中重新組合及干涉來自參考束及探測束之光之第二分束器210之一路徑。部分光被發送至定位於一暗埠處之一光學偵測器214，且部分光行進至一亮埠處之一束捕集器(beam dump)216。干涉儀204經對準，使得在參考束與探測束之間不存在一相位干擾差異的情況下，一暗干涉條紋存在於暗埠處。來自在探測束附近通過之束201之一帶電粒子脈衝引起歸因於EO介質202中之電光效應之一相位干擾。相位干擾由光學偵測器214記錄，該光學偵測器214產生與輸入束電荷或電流成比例之一束信號A。
帶電粒子束201衝擊一目標218，產生二次粒子221，該等二次粒子221可係(例如)二次電子、來自該束之背向散射粒子、二次離子、歐傑電子(Auger electron)或X射線。二次粒子221由產生一樣本信號B之一二次粒子偵測器222偵測。束信號A及樣本信號B經耦合至一信號處理器224，該信號處理器224產生與樣本信號B對束信號A之比率成比例之一輸出信號225。這相對於輸入粒子束電流之量值正規化樣本信號B。因此，輸出信號225對帶電粒子束與目標之間之相互作用的變動更靈敏，且對帶電粒子束之強度的變動相對較不靈敏。
圖2中展示之配置適合於量測相對較強的脈送帶電粒子束。例如，在粒子加速器中，一安培或更多之平均束電流及數量級為飛秒(10-15秒)之脈衝持續時間係常見的。在處於一安培之一平均電流處之一電子束中，每秒大約6.24 X 1018個電子通過一給定點。對於通常用於半導體工業中之材料特性化的帶電粒子系統(例如，SEM系統、歐傑電子能譜系統及能量分散X射線光譜(EDX)系統)，束電流係連續的 且更小(例如，為10-9安培之數量級)。此等低電流通常涉及在所關注之時間尺度內通過相對較小數量的帶電粒子。對於足夠低電流，束電流之變動係由源自歸因於束201中之帶電粒子之離散本質的統計變動的散粒雜訊所主宰。例如，若二次粒子偵測器222之電子電路以小於一奈秒之時間尺度操作，且若束201中之平均電流係16奈安培，則每奈秒僅約100個電子衝擊目標218。根據泊松統計(Poisson statistics)，在任一奈秒中電子之實際數目可變化達約10個電子均方根(rms)。當在此一時間尺度內觀察到此一小電流時，散粒雜訊總計達到平均束電流的1/10。
根據本發明之一態樣，基於電光原理之一替代設備可用以考量帶電粒子束系統中低束電流處之散粒雜訊效應。如圖3中所見，一替代設備300包含一光源L(例如，一雷射)、一電光材料302、一偏振分束器304及一光學偵測器314。雷射L產生一偏振輻射束R。在輻射在垂直於一帶電粒子束301之一方向上通過電光材料302之前，可藉由使該輻射R通過一阻滯波片W而調整偏振方向。接著，偏振分束器304(例如，一格蘭-湯姆森稜鏡(Glan-Thompson prism)或其他偏振分束器)將該輻射R分成不同偏振之兩個束R 1 、R 2 ，其等通常相互正交。具有初始偏振(亦即，在進入EO材料302之前輻射R之偏振)之輻射R 1 通過偏振分束器而到達一束捕集器316。具有正交於初始偏振之一偏振之輻射R 2 經反射而朝向光學偵測器314。設備300最初經組態使得在無帶電粒子束301時EO材料未調變輻射R之偏振，且因此無一正交偏振之輻射R 2 到達光學偵測器314。換言之，光學偵測器314在暗埠處且偵測器信號在無束301之情況下標稱為零(或某一其他固定值)。
當束301在EO材料302附近通過時，來自該束中之帶電粒子之電場引發EO材料中之一電光效應，該電光效應引起自EO材料出射之輻射R之偏振之一改變。偏振之改變量取決於EO材料302中之電場，該 電場繼而取決於在所關注之一時間尺度內束301中之平均電流。偏振之改變引起一些輻射R 2 經引導朝向光學偵測器314，該光學偵測器314因此產生一束信號A。束信號A與帶電粒子束301中之平均電流成比例。舉實例而言(且不限於)，光學偵測器314可係一標準的基於矽之光偵測器、一光倍增管(PMT)或一多通道板(MCP)。
當帶電粒子束301衝擊一目標318時，產生二次粒子321(例如，二次電子、來自該束之背向散射粒子、二次離子、歐傑電子或X射線)。二次粒子321由一二次粒子偵測器322偵測，其因此產生一樣本信號B。舉實例而言，二次粒子偵測器322可係一PIN二極體偵測器或與一MCP或PMT組合之一閃爍器。束信號A及樣本信號B耦合至一信號處理器324，其產生與樣本信號B對束信號A之比率成比例之一輸出信號325。此相對於帶電粒子束301中之平均電流之量值正規化樣本信號B。因此，歸因於散粒雜訊，輸出信號325對帶電粒子束與目標之間之相互作用的變動更靈敏，且對帶電粒子束301強度的變動相對較不靈敏。舉實例而言(且不限於)，信號處理器324之功能可以軟體(例如，藉由實施於一通用電腦上之可執行指令)實施或以硬體(例如，藉由一可程式化電路，諸如一特定應用積體電路(ASIC)或一場可程式化閘陣列(FPGA))實施。
在圖2中展示之干涉儀中，探測束及參考束在垂直於一帶電粒子束201之方向之一方向上通過電光材料。儘管此可對於大束電流起作用(如在粒子加速器中)，然束信號A可能過小而無法有用於低束電流應用(諸如SEM)。藉由參考圖4可瞭解此之原因。
在圖4A中，一帶電粒子束401遵循平行於靠近一電光(EO)材料402之一光軸A之一路徑P。帶電粒子路徑在距軸A之一距離x處，且EO材料402之一附近表面在距該軸之一距離a處。引導一雷射輻射束R使其垂直於軸A及路徑P而穿過EO材料402。舉實例而言，考量由以非 相對論性速率在自由空間中行進之電子組成之一帶電粒子束401。
在距軸A之一任意距離x’處，藉由以下方程式給出來自自由空間中之一非相對論性電子之電場E x (x’) ，其中e係電子上之電荷(1.6X10-19庫倫)，且ε0係自由空間電容率(8.85X10-12C2/N．m2)。對於低電流及適中電壓(例如，約1奈安培(nA)及約10kV)，束中之電子足夠遠且其等可相對於一行電荷而被視作單一點電荷。
對於呈一三角EO晶體之形式之一EO材料402，折射指數n z (x’)取決於場E x (x’)，如下：，其中n 0 係材料對於一般射線(亦即，圖4A中展示之沿EO材料402之晶軸C引導之射線)，且r 51係在晶軸C的方向上行進之光子之相關電光係數。
對於真空波長λ之輻射R，藉由以下方程式給出累積相位改變
舉數值實例而言，假定EO材料係鉀鉭鋰鈮酸物(Potassium Tantalum Lithium Niobate(KTaLiNbO3))，其中r51=42pm/V且r33=1400pm/V，n0=2.312，ne=2.273。進一步假定a=5μm，λ=532nm。因此，由一單一自由電子引發之相移係~0.8μrad。
又假定監控暗埠，其中Idark~φ2 Ilaser且Plaser=10W或5x104光子/光學循環且雷射具有一束腰ω 0=5μm。對於一10keV電子(ν~0.2c)，過渡時間係~8fs或約4.5個光學循環。此等同於每電子事件~1.4x10-7個信號光子。因此該效應可能過小而無法運用一CW雷射束偵測單一電子。
然而，根據本發明之某些態樣，若在大致上平行於構成該束之 帶電粒子之行進方向之一方向上沿最接近於帶電粒子束401之EO材料之表面引導雷射輻射R，則該信號可急劇增加。圖4B示意性地圖解說明類似於圖4A中展示之配置之一配置，惟沿平行於帶電粒子束401之行進方向之一方向沿EO介質402之表面引導雷射束輻射R除外。可自一非相對論性帶電粒子之電場及EO介質之材料性質及尺寸而計算在圖4B中展示之方向上通過EO介質402之輻射R之相位改變。
再次藉由以下方程式給出來自自由非相對論性電子之電場：
對於以圖4B中展示之方式垂直於晶軸C而橫穿一三角晶體之輻射，藉由以下方程式給出指數改變n x (x’)： 其中n 0 係材料對於一般射線(亦即，如圖4A中展示之垂直於EO材料402之晶軸C引導之射線)之折射指數，且r 33係在此方向上在EO材料中行進之光子之相關電光係數。藉由以下方程式給出累積相位改變： ，其中l係沿帶電粒子束401之路徑之EO材料402之長度。
再次假定EO材料402係KTaLiNbO3，其中r33=1400pm/V，且ne=2.273。舉數值實例而言，假定a=5μm，l=1mm，λ=532nm，Plaser=10W或5x104光子/光學循環。又假定監控暗埠，其中Idark~φ2 Ilaser。
因此，由一單一自由電子引發之相移係φ~5.5mrad。與束401中之一電子具有一最大相互作用之雷射脈衝之長度係~2a或10μm。此對應於一過渡時間2a/ν g ~166fsec或62個光學循環，其中ν g 係EO材料 402中輻射R之群速度。此等同於每電子事件約93個信號光子。儘管該效應係小的，然其容許運用一CW雷射束偵測單一電子。
本發明之態樣包含基於圖4B中圖解說明之操作原理之實施方案。明確言之，圖5描繪某種程度上類似於圖2中描繪之系統200之一基於干涉儀之帶電粒子束量測系統500之一實例。在系統500中，一帶電粒子束之帶電粒子501在靠近一介電平板波導WG一距離w之一真空通道中行進。該通道足夠寬以允許一帶電粒子束501通過而不中斷(例如，截斷)該束。波導WG包含夾置於充當一覆層之一基板S與一電阻性塗層503之間之一EO材料平板502。電阻性塗層503使來自命中EO監控器之壁之雜散帶電粒子之電荷消散，使得靜電電荷未累積在該等壁上。基板S具有不同於EO材料502之一折射指數。舉實例而言(且不限於)，基板S可由二氧化矽(SiO2)製成，且EO材料502可係鈮鉭酸鉀(KTaNbO3)。波導WG形成一干涉儀(例如，一馬赫-陳爾德干涉儀)之一探測臂。在圖5中描繪之實例中，運用光纖來部分實施干涉儀。替代實施方案可使用自由空間光學組件。
來自諸如一雷射L之一源之輻射R可使用自由空間光學器件505耦合至波導WG中。舉實例而言(且不限於)，雷射L可係產生由532nm之一真空波長表徵之一輻射束R之一連續波(CW)雷射。適合雷射之商業可用實例包含來自Santa Clara,California的Coherent,Inc.之一Verdi 20W光泵半導體雷射(OPSL)雷射及可購自Oxford,Massachusetts的IPG Photonics之100W光纖雷射。
一光學隔離器507可放置於雷射L與光學器件505之間以防止輻射之反耦合。一第一分束器506將輻射R分成耦合至波導WG中之一探測束及耦合至干涉儀之一參考臂中之一參考束。舉實例而言(且不限於)，探測束可使用一第二組自由空間光學器件509及一第一光柵耦合器G1而耦合至波導中。探測束可以一類似方式(例如，使用一第二光 柵耦合器G2及一第三組自由空間光學器件511)自波導WG耦合出。探測束在大致上平行於靠近波導之期望帶電粒子軌跡之部分之行進方向之一方向上行進通過波導WG之EO材料502。輻射R之波長及波導WG之性質係經選擇使得EO材料502中探測束之群速度近似等於附近帶電粒子501之速度，以在帶電粒子速度之一調整範圍內。帶電粒子速度可(例如)藉由調整系統中產生帶電粒子束之一適當電壓而緊密匹配於探測束之群速度。
在將探測束自波導WG耦合出之後，一第二分束器510組合參考束及探測束。經組合束之部分(例如，藉由光纖)耦合至一暗埠偵測器514，且經組合束之部分可視情況耦合至一亮埠偵測器516。參考臂視情況可包含可變衰減器VA、一粗略延遲(例如，光纖之一長度)及一可變相位控制VP以最佳化暗埠偵測器514處之信號。可變相位控制VP可使用一適合非線性光學材料(例如，鈮酸鋰(LiNbO3))。可藉由調整非線性光學材料之溫度而實施相位調整。系統500之操作類似於上述系統200之操作，但由於干涉儀之探測臂中之波導配置而具有更大靈敏度。
藉由參考圖6及圖7可明白圖5中展示之類型的一系統之效能。圖6中描繪之圖表展示來自圖5中展示之類型的一波導電子偵測器中一單一電子之偵測之一預期脈衝輪廓。預期脈衝之持續時間係約200fs。圖7中展示之圖表依據使用KTaNbO3作為EO材料之探測輻射之波長而估計每電子之光子之數目。自該圖表，吾人可判定在532nm下每電子之光子之預期數目係~170光子/電子。
圖5中圖解說明之波導設計亦可應用於圖3中描繪之偵測器架構類型。圖8圖解說明此一系統800之一實例。在此系統800中，一帶電粒子束801在靠近一介電平板波導WG之一真空通道中行進。在波導WG中，一EO材料平板802夾置於充當一覆層之一基板S與一電阻性塗 層803之間。基板及覆層具有不同於EO材料802之折射指數(例如，如上文關於圖5描述)。來自諸如一雷射L之一源之輻射R可(例如)使用自由空間光學器件805及一光學隔離器807耦合至一偏振保持光纖F中。一第二組自由空間光學器件809及一第一光柵G1將輻射R之至少一些耦合至波導WG中而作為一探測束。可(例如)藉由一波板W來控制進入波導WG之輻射R之入射偏振。探測束可(例如)使用一第二光柵耦合器G2及一第三組自由空間光學器件811而自波導WG耦合出。輻射R之波長及波導WG之性質可經選擇使得EO材料802中探測束之群速度近似等於附近帶電粒子801之速度，以在帶電粒子速度之一調整範圍內。帶電粒子速度可(例如)藉由調整系統中產生帶電粒子束之一適當電壓而緊密匹配於探測束之群速度。
因為探測束以大致上平行於靠近波導之期望帶電粒子軌跡之部分之行進方向之一方向行進通過波導WG之EO材料802，所以探測束與帶電粒子801之間之EO相互作用引起探測束之一偏振改變。
在將探測束自波導WG耦合出之後，一偏振分束器810將具有正交於初始偏振之一偏振之探測束輻射引導至一暗埠偵測器814。具有與入射偏振相同之偏振之探測束輻射可耦合至一亮埠偵測器816。組合參考束及探測束。系統800之操作類似於上文關於圖3描述之系統300之操作，但由於其中探測輻射平行於帶電粒子且以匹配於帶電粒子速度之一群速度行進之波導配置而具有更大靈敏度。
圖9A及圖9B圖解說明併有本發明之某些態樣之一帶電粒子束系統900之一實例。在此非限制性實例中，系統900係組態為具有帶電粒子光學柱902之一掃描電子顯微鏡(SEM)，其具有一電子源915、束光學元件935、一浸沒透鏡904(其可係一靜電或磁透鏡)。光學柱902受控於電子器件936(在本文中稱為一束驅動器)。束驅動器936可控制電子源915、束光學元件935及浸沒透鏡904。在此實例中，束光學器件 935包含兩個或更多個導電圓柱體，該兩個或更多個導電圓柱體保持在產生電場以自源915提取電子且使其等形成為在一目標901之一方向上行進之一次束903的電壓下。浸沒透鏡904將一次束聚焦為目標之表面處之一窄點。
一電光束偵測設備940經放置成靠近一次束903之一腰(例如，在束光學器件935之元件之間)。舉例而言(且不限於)，設備940可包含圖5中展示之類型之一干涉儀，其中探測臂包含形成於靠近束腰之一電光材料平板中之一光學波導。一雷射L可將探測束及參考束提供至設備940。探測束行進於大致上平行於一次束903的波導中，且與參考束組合。經組合束係耦合至一光子偵測器942，該光子偵測器942可係耦合至設備940之一暗埠。在此一情況中，光子偵測器942產生與干涉儀之暗埠干涉信號成比例之一信號A。
在替代實施方案中，設備940可包含圖8中圖解說明之類型之一偏振感測設備。此外，本發明之態樣包含其中兩個或更多個EO偵測器設備940因下述理由而經放置成靠近一次束903的實施方案。
來自電子束柱902之電子聚焦至目標901之一表面上，該目標901可係一積體電路晶圓或一測試晶圓。目標901由一載物台918支撐。可(例如)藉由使由一或多個靜電偏轉板906提供之場偏轉而跨目標901之表面來掃描電子。電壓係經由一束掃描器驅動器908而提供至偏轉板906。在一些實施方案中，束掃描器驅動器908可將電流施加至磁線圈，以跨目標901來掃描電子束。或者，載物台918可包含一載物台掃描機構911及載物台掃描器驅動器919，其等經組態以使目標沿平行於目標901之表面之X-Y平面，在一或多個方向上，相對於光學柱902移動。在一些實施方案中，載物台掃描機構911及載物台掃描器驅動器919可在束掃描器驅動器908於一方向(例如，Y方向)上掃描束時，使載物台在一不同方向(例如，X方向)移動。或者，載物台掃描器驅動 器919可在X方向及Y方向兩者上，相對於光學柱902驅動載物台，以跨目標掃描束，同時該束相對於光學柱保持固定。
衝擊目標901之電子係經背向散射或起始二次發射。電子束柱收集自目標901之表面出射之此等背向散射或二次電子917(或其他二次粒子)之一部分。所收集電子917撞擊在一二次粒子偵測器910上，該二次粒子偵測器910產生與背向散射或二次發射量成比例之一二次信號B。可藉由一放大器912放大該信號。藉由一影像產生器914組合該經放大信號與來自束掃描器驅動器908及/或載物台掃描器驅動器919之一信號以產生目標901之表面之一放大影像。可藉由影像分析器916分析由影像產生器914產生之影像以(例如)判定經修正表面之一品質量測或所得形成結構之形狀及大小。
根據本發明之態樣，來自二次粒子偵測器910(或放大器912)之二次信號B及來自光子偵測器942之光子信號A可耦合至一信號處理器944以消除一次束903中之雜訊之影響。舉實例而言(且不限於)，信號處理器944可產生與二次粒子信號B對光子信號A之一比率成比例之一輸出。
在替代實施方案中，取決於系統之本質，除電子外之高能粒子(例如，離子、中子、紫外線輻射或X射線)之源可用作電子源915之替代物。此外，高能粒子源可與帶電粒子光學柱902分離及/或定位於帶電粒子光學柱902外部。例如，在X射線光電子能譜分析(XPS)中，一次高能粒子可係起始二次粒子自目標之發射之X射線。在紫外線光電子能譜分析(UPS)中，一次高能粒子可係類似地起始二次電子自目標之發射之紫外線光子。又，在替代實施方案中，其他類型的帶電粒子(例如，正離子或負離子)可自目標背向散射或由目標發射且返回向上通過光學柱902以撞擊在二次粒子偵測器910上。例如，在二次離子質譜分析(SIMS)中，一次粒子係高能離子且二次帶電粒子係由於一次離 子之高能衝擊之而自目標敲落之目標材料之電離原子。
一些帶電粒子系統在浸沒透鏡904與二次粒子偵測器910之間包含一帶電粒子能量分析器(例如，一柱面鏡分析器、白塞爾盒(Bessel box)、平行板分析器)而作為光學柱902之部分。此等分析儀用於(例如)在歐傑電子能譜分析(AES)中對二次電子進行能量選擇以用於對目標901的化學分析。其他系統包含一質譜分析儀(例如，一磁性扇區、RF四極或維恩濾波器(Wien filter))以按質量選擇二次帶電粒子(例如，如在SIMS系統中)。
舉實例而言(且不限於)，可藉由以一光柵型樣驅動束掃描器而產生影像，其中一次束運用束掃描器驅動器908及束偏轉板906(或掃描器線圈)在一方向上跨樣本901掃描，且將依據束位置而變化之偵測器信號轉換為一行影像，如此項技術中所熟知。在一方向上(例如，X方向)上之束掃描結束時，可在一不同方向(例如，Y方向)上調整束位置達一小量(例如，相當於樣本上束點之一大小之一量)且可執行另一掃描以產生另一行影像。藉由重複此程序，可產生樣本之部分之一影像。
在替代實施方案中，可藉由在一方向(例如，X方向)上跨樣本901掃描一次束且將依據束位置而變化之偵測器信號轉換為一行影像而產生影像。在各線掃描結束時，載物台掃描器驅動器919及載物台掃描機構可使樣本901以一不同方向(例如，Y方向)平移達一小量。
二次偵測器910可係具有一接面及空乏區之一二極體裝置。舉實例而言(且不限於)，偵測器910可係一PN接面、一PIN接面。在替代實施方案中，偵測器910可係一CMOS偵測器(例如，CCD)、基於矽或III-V偵測器、多通道板、光二極體陣列、雪崩光二極體及/或肖特基二極體(Schottky diode)。在一實例中，偵測器910係包含一正摻雜P區及一負摻雜N區之PN接面二極體。一空乏區、一中性電荷區域存在於 P區域N區之間。當一光子進入裝置時，晶體結構中之電子得到激發。若光子之能量大於材料之帶隙能量，則電子將移動至對電子所在之價帶中之電洞進行裝箱之導電帶中。遍及該裝置產生此等電子電洞對。產生於空乏區中之電子電洞對漂移至其等各自電子。此導致P層中之一正電荷累積及N層中之一負電荷累積。電荷量與落於偵測器上之光量直接成比例。
應注意，除SEM系統之外，許多其他帶電粒子系統可採用根據本發明之二次帶電粒子偵測裝置。系統之實例可包含(但不限於)經組態以實施聚焦離子束(FIB)、紫外線光電子能譜分析(UPS)、X射線光電子能譜分析(XPS)、歐傑電子能譜分析(AES)及二次離子質譜分析(SIMS)之系統。
如圖9B之方塊圖中所展示，影像產生器914及影像分析器可係一控制器920之部分。控制器920可係一自含型微控制器。或者，控制器920可係經組態以包含耦合至一控制系統匯流排930之一中央處理器單元(CPU)922、記憶體924(例如，RAM、DRAM、ROM及類似物)及熟知支援電路928(諸如電源供應器921、輸入/輸出(I/O)功能923、時鐘926、快取區934及類似物)之一通用電腦。記憶體924可含有CPU 922執行以促進系統900之效能之指令。記憶體924中之指令可呈程式碼925之形式。代碼925可控制(例如)由源915產生之電子束電壓及電流、運用束光學器件935及浸沒透鏡904聚焦束、藉由線圈906掃描電子束、藉由載物台掃描器911掃描載物台918及運用來自偵測器110之信號以一習知方式形成影像。代碼925亦可實施影像之分析。
代碼925可遵從若干不同程式化語言(諸如Assembly、C++、JAVA或若干其他語言)之任一者。控制器920亦可包含一選用大量儲存裝置932(例如，CD-ROM硬碟及/或可卸除式儲存器、快閃記憶體及類似物)，其可耦合至控制系統匯流排930。控制器920可視情況包含耦合 至CPU 922之一使用者界面927(諸如一鍵盤、滑鼠或光筆)以為自一操作者(未展示)接收輸入提供必要條件。控制器920亦可視情況包含一顯示單元929以在處理器單元922之控制下以圖形顯示及/或文字數元之形式將向操作者提供資訊。顯示單元929可係(例如)一陰極射線管(CRT)或平面螢幕監視器。
控制器920可回應於藉由記憶體924儲存及擷取之資料及程式碼指令而透過I/O功能923來與成像裝置掃描器驅動器908、電子束驅動器936及偵測器910或放大器912交換信號。取決於控制器920之組態或選擇，掃描器驅動器908、偵測器910、放大器912、光子偵測器942及/或信號處理器944可經由調節電路而與I/O功能923介接。調節電路可以硬體或軟體形式(例如在代碼925內)實施。又，在一些實施方案中，信號處理器944之功能可以軟體實施於代碼925內。
期望EO偵測器940之EO波導可經放置而儘可能接近於一次束903中之束腰而不截斷該束。圖9C圖解說明在一軸平面中針對一給定束幾何形狀而判定孔徑大小及波導以及波導之長度之一數值實例。該數值實例假定具有108A/m2/sr/V之降低亮度及10nA束電流之一10kV一次電子束903。
可藉由以下方程式給出束εN之正規化橫向發射度：
幾何橫向束發射度係
沿z軸向下(聚焦於z=0處)之漂移之束生長β函數係β(z)=β 0+z 2/β 0
依據軸位置z而變化之橫向(X)方向上束包絡之生長遵循以下方程式
聚焦深度係Z depth ≡β *=X 0 2/ε G
發散角係α=ε G /X 0
對於X0=1μm焦點β*=28mm且a=35μrad。
因此，1mm長及10μm孔徑之一波導在此實例中將不干涉(截斷)一次束903。
如上文提及，存在EO偵測器940之若干不同組態。下文關於圖10A及圖10B及圖11至圖13描述此之少數。圖10A展示其中圖5中展示之類型的一對干涉儀EO偵測器1040經組態以偵測平行於Z軸方向行進之一帶電粒子束1001之中心之x軸位置之一設備1000之一俯視圖。在一替代實施方案中，EO偵測器1040可係圖8中展示的類型的偏振偵測器。各EO偵測器1040包含平行於束1001之一路徑定向之一EO波導WG。兩個波導由束1001可通過之一間隙分離。光子偵測器1014耦合至EO偵測器1040(或偏振偵測器)之暗埠。來自光子偵測器1014之信號可耦合至信號處理器1024。來自左側及右側光子偵測器之信號之一總和與束電流成比例。來自左側與右側光子偵測器之信號之間之一差與束1001之中心相對於x軸之位置成比例。當束完全在中心時，此差可校準為零。
如圖10B中所展示，設備1000可視情況包含一第二對之EO波導偵測器1040，其等波導WG經定向以感測束1001之中心相對於y軸之位置。在圖10B中，Z方向自圖之平面引導出。
根據本發明之另一態樣，如本文中描述之EO偵測器可經組態以量測一帶電粒子束能譜。圖11描繪其中八個EO偵測器配置於一帶電粒子束1101之軸周圍以捕獲該束之能譜之一能譜分析儀1100之一可能設計之一俯視圖。各EO偵測器包含群速度匹配於不同束能量設定之一波導。為簡單起見，僅展示偵測器之波導部分WG a 、WG b 、WG c 、WG d 、WG e 、WG f 、WG g 及WG H 。偵測器可經組態以(例如)如圖5或圖8中所展示般操作。一些替代實施方案可(例如)藉由將波導WG a 及 WG e 用於x位置感測器及將波導WG c 及WG g 用於y位置感測器同時將剩餘波導WG b 、WG d 、WG f 及WG h 用作能量偵測器來實施束位置感測及能譜分析之一組合。能量感測波導WG b 、WG d 、WG f 及WG h 可具有經組態使得該等波導中之探測束之群速度匹配於不同對應能量之帶電粒子之速度之不同橫截面尺寸。或者，不同輻射頻率可用以調整群速度。
在一些實施方案中，帶電粒子束可根據粒子能量而空間地分成不同束且可量測單獨束之電流。舉實例而言，圖12圖解說明其中一帶電粒子束1201使用一彎道1202分散之一系統1200。在彎道中，一第一磁性扇區1204根據帶電粒子束1201之速度使帶電粒子束1201彎曲且使其空間地分散至不同路徑中。一第二磁性扇區1206使粒子之分散路徑彎曲以使其等在一分散平面處平行。EO偵測器配置有平行於分散平面中粒子之路徑之EO波導WG之一陣列1207。在粒子通過波導陣列1207之後，兩個額外磁性扇區1208、1210使粒子之分散路徑彎曲且使其等收斂回到一窄束。
陣列1207中之各波導WG可經組態使得該波導中之一光學探測束之群速度匹配於具有對應於其在分散平面中之位置之動能之帶電粒子之速度。藉由陣列中波導之間距及分散平面處之分散值來設定系統1200之能量解析度。
本發明之態樣亦包含其中一電光設備經組態以操作為一束輪廓監控器之實施方案。對於較高束電流或較長信號積分，設想一種藉由成像一探測束在一EO材料中之相移而量測空間束輪廓之成像方案。舉實例而言(且不限於)，如圖13中所圖解說明，在一電光設備1300中，一帶電粒子束1301在z方向上橫穿兩個EO晶體1302之間之一間隙g，且輻射R之一偏振準直光學探測束行進通過兩個晶體1302且在一正交方向(例如，如圖13中所展示，x方向)上穿過該間隙。在圖13 中，z方向垂直於圖之平面而朝向觀看者。準直探測束R經由光學器件1303輸送至一偵測器陣列，該光學器件1303透過一偏振分束器1304而將EO晶體1302之一者之面之成像至一偵測器陣列1314(例如，一電荷耦合裝置(CCD)陣列或類似裝置)上。一影像增強器1305可放置於分束器1304與偵測器陣列1314之間。舉實例而言(且不限於)，影像增強器1305可係某一種類之電子放大器。電子放大器之實例包含MCP及PMT裝置，其等兩者皆經由產生一放大電子信號之一電子雪崩操作。分束器1304可經組態以在一偏振器-分析器模式中充當一分析器，使得偵測器陣列1314處於一暗埠處。晶面附近之束電流密度產生與束電流密度成比例之一空間相依偏振旋轉。晶面處之此空間相依偏振旋轉成像至光子偵測器陣列1314上，該光子偵測器陣列1314產生一輸出A。在所展示之實例中，探測束在z方向上分散使得輸出A可解釋為具有軸向(z)位置之一函數之束電流密度之一圖。在替代實施方案中，探測束R可以在y方向上分散之一方式校準(亦即，沿垂直於含有束1301之x-z平面之一平面)，且輸出A可解釋為依據橫向(y)位置而變化之束電流密度之一圖。
為容許探測束之一淺聚焦深度且成像束輪廓，可將一線聚焦(例如，四極)束輸送方案用於帶電粒子束1301。在其他替代實施方案中，使用諸如上文關於圖12描述之平行EO波導之平行EO波導之一陣列之一偵測器設備可完成相同束輪廓監控功能。
熟習此項技術者將認知，上述類型的設備之兩項或更多項功能(例如，束電流監控、束位置監控、束能譜分析或束輪廓監控)可實施於使用一或多個FO或其他尾場帶電粒子偵測器之一多功能監控器中。
上述實施方案經組態以借助於一晶體中之二階效應而監控自由電子之非輻射場分量。然而，本發明之態樣並不限於此等實施方案。 在一些替代實施方案中，可使用除電光相互作用外之尾場束相互作用機制。舉實例而言(且不限於)，可採用之輻射機制包含藉由一波盪器產生輻射，其中一帶電粒子束(例如，一電子束)在產生交替方向的橫向磁場之磁鐵陣列之間通過。其他替代實施方案可利用契忍可夫效應(Cerenkov effect)，其中當一帶電粒子(諸如一電子)以大於一均質介電介質中光之相位速度之一速率通過該介質時發射電磁輻射。其他替代實施方案可係基於藉由使帶電粒子通過一非均質介質(諸如兩種不同介質之間之一邊界)而產生過渡輻射。其他替代實施方案可係基於藉由在一光柵或其他光子結構附近傳遞一高能帶電粒子束之Smith-Purcell效應而產生輻射。關於前述機制，Smith-Purcell可能係最有效機制且已自一非相對論性電子束觀察到。輻射方案之主要問題係自由電子輻射一光子之效率，此係因為對於甚至最有效的光子結構，耦合係數亦係小於1之數量級。因此，對於一典型SEM束電流及將探測其之任何合理大小的光子結構(例如，光柵)，所得光子電流及信號將係相當小的。
舉進一步實例而言，若探測雷射束具有一足夠大的電量，則亦可藉由康普頓散射(Compton scattering)而非電光效應或其他尾場效應而完成運用一雷射束對一帶電粒子束進行輻射探測。康普頓散射係指一光子藉由一類自由帶電粒子(例如一電子)之非彈性散射。此散射降低光子(其可係一X射線或伽瑪射線光子)之能量。能量之增加可觀察為波長之一增加。
例如，藉由以下方程式給出光子-電子散射橫截面之克來因-仁科公式(Klein-Nishia formula)之低能限制：~r e 2~7.8x10-30m2
一自由電子通過具有腰w0之一雷射束之焦點之過渡時間t係大約 ½μm，l=532nm；假定~4kV之一電子動能，電子速度係約0.2c，其中c係真空中之光速。
因此，~2×10-15sec
此雷射束之一光子散射事件之可能性T係電子橫截面與探測其之雷射聚焦面積之比率，其藉由以下方程式近似給出：T~~4×10-16
因此，每自由電子產生1個散射光子所需之CW電力係P~~5×1011 W
雖然上文包含本發明之較佳實施例之一完整描述，但可使用各種替代、修改及等效物。因此，不應關於上述描述判定本發明之範疇，而是應關於隨附申請專利範圍連同其等全等效範疇一起判定本發明之範疇。
除非在一給定請求項中使用片語「用於...之構件」明確敘述構件加功能限制，否則隨附申請專利範圍不應被解釋為包含此一限制。未明確陳述「用於執行一指定功能之構件」之一請求項中之任何元件不應被解釋為如35 USC § 112,¶6中所指定之一「構件」或「步驟」子句。特定言之，本文申請專利範圍中「...之步驟」之使用並非意欲調用35 USC § 112,¶ 6之條款。

Claims (21)

  1. 一種用於帶電粒子束監控之系統，其包括：a)一組一或多個電光(EO)材料，其等經放置成緊密靠近一帶電粒子束之一設計軌跡；及b)一組一或多個光學探針，其等經組態以接收一電磁輻射束，且探測源自來自該束之該帶電粒子之通過之歸因於該帶電粒子之電磁場之電光效應之該一或多個EO材料之折射指數之一改變；及c)一組一或多個光子偵測器，其等經耦合至該一或多個光學探針，其中該組中之各光子偵測器經組態以產生對應於該組一或多個EO材料之一者之一對應EO材料之折射指數之該改變之一光子信號。
  2. 如請求項1之系統，其中該組一或多個光子偵測器包含經耦合至該組一或多個光學探針之一特定光學探針之一暗埠之一光子偵測器。
  3. 如請求項2之系統，其中該組一或多個光學探針之該光學探針經組態以將來自一第一偏振之該電磁輻射束之輻射引導至該組一或多個電光(EO)材料之一特定EO材料中，其中該特定光學探針包含經組態以接收已行進於該特定EO材料中之該電磁輻射束之至少一部分且將正交於該第一偏振之一第二偏振之輻射引導至該組一或多個光子偵測器之一特定光子偵測器之一偏振分束器。
  4. 如請求項1之系統，其中該組一或多個光學探針包含經組態以將該電磁輻射束之至少一部分耦合至該組一或多個EO材料之一特定EO材料中之一波導結構上之一特定光學探針，其中該波導結 構經組態以依實質上平行於靠近該波導結構之該帶電粒子束之設計軌跡之一部分之一方向之一方向來引導該電磁輻射束之該部分。
  5. 如請求項4之系統，其中該波導結構經組態使得該波導結構中之該電磁輻射束之該部分之一群速度近似等於該帶電粒子束中之帶電粒子之一速度，以在該等帶電粒子之該速度之一調整範圍內。
  6. 如請求項1之系統，進一步包括經組態以回應於偵測到由該帶電粒子束與一目標之間之相互作用產生之二次粒子而產生一二次信號。
  7. 如請求項6之系統，進一步包括經耦合至該光子偵測器及該二次粒子偵測器之一信號處理器，其中該信號處理器經組態以使用來自該組光子偵測器之一光子偵測器之該光子信號以將一雜訊消除施加至該二次信號，藉此產生一經處理信號。
  8. 如請求項7之系統，其中該經處理信號對應於該二次信號對該光子信號之一比率。
  9. 如請求項1之系統，其中來自該光子偵測器之一信號提供用以控制該帶電粒子束之一性質之一伺服信號。
  10. 如請求項1之系統，其中該組一或多個光學探針經組態以實施量測該帶電粒子束之一位置之一束位置監控器。
  11. 如請求項1之系統，其中該組一或多個光學探針經組態以實施一束輪廓監控器。
  12. 如請求項1之系統，其中該組一或多個光學探針經組態以實施一能量能譜分析儀。
  13. 如請求項1之系統，該組一或多個光學探針經組態以實施一多功能束監控器。
  14. 如請求項13之系統，其中該多功能監控器實施以下功能之兩者或更多者：束電流監控、束位置監控、束能譜分析，或束輪廓監控。
  15. 如請求項1之系統，進一步包括經組態以產生該帶電粒子束之一帶電粒子束光學柱。
  16. 如請求項15之系統，其中該帶電粒子束係一電子束。
  17. 如請求項16之系統，其中該帶電粒子束光學柱係一掃描電子顯微鏡之部分。
  18. 如請求項15之系統，其中來自該光子偵測器之一信號將一伺服輸入提供至用以控制該帶電粒子束之一性質之經耦合至該帶電粒子束光學柱之一控制器。
  19. 一種用於帶電粒子束監控之系統，其包括：a)一組一或多個電磁尾場偵測器，其等經放置成緊密靠近一非相對論性帶電粒子束之一設計軌跡，其中該組一或多個尾場偵測器經組態以回應於該帶電粒子束之通過而產生一或多個光學信號而不中斷該帶電粒子束；及b)一組一或多個光子偵測器，其等經組態以接收該一或多個光學信號且產生一或多個對應輸出。
  20. 如請求項19之系統，該組一或多個電磁尾場偵測器經組態以實施一多功能束監控器，該多功能束監控器實施以下功能之兩者或更多者：束電流監控、束位置監控、束能譜分析，或束輪廓監控。
  21. 如請求項19之系統，其中該組一或多個電磁尾場偵測器包含基於以下之一或多者之一偵測器：電光效應、影像電荷產生、藉由一波盪器之輻射、契忍可夫效應(Cerenkov effect)、過渡輻射之產生、藉由Smith-Purcell效應之輻射之產生，或康普頓散射。
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