TWI825050B - 帶電粒子束源與用於組裝帶電粒子束源的方法 - Google Patents

Abstract

一種帶電粒子束源，其可包括發射器，該發射器具有用於發射帶電粒子的尖端；插座；電極；絲，該絲連接到該等電極且連接到該發射器；用於向該絲提供電訊號的電極；支撐元件，該支撐元件連接到該發射器；及支撐結構，該支撐結構包含一個或多個介面，該介面用於僅接觸該支撐元件的一部分，同時支撐該支撐元件。

Description

帶電粒子束源與用於組裝帶電粒子束源的方法

本申請案依專利法主張於2017年12月13日提出申請的美國專利申請案第62/598,385號之優先權權益，本申請案之參考整體上結合以上美國專利申請案之揭露。

本發明係關於電子源，尤其係關於減小發射器尖端的振幅振動，更具體地係關於應用於聚焦電子束系統的冷場發射電子源。

電子束設備用於許多工業領域中，包括但不限於高分辨率計量和檢查系統、用於微影術的暴露系統、偵測設備、測試裝置等。

電子束的產生是該等電子束設備中的第一階段。

各種類型的電子源通常使用在電子束設備中。有熱離子(thermionic)陰極、肖特基(Schottky)發射器和冷場發射器(CFE)。

CFE電子源與其他技術相比具有若干優勢。CFE電子源的低能量擴散允許改善電子束設備的分辨 率。此外，由於較小的虛擬源尺寸，CFE電子源的亮度(brightness)遠高於其他電子源。

CFE電子源的亮度比熱離子發射器高三個數量級，且比肖特基發射器高一個數量級。此外，CFE電子源具有很長的使用壽命。

圖1中表示先前技術CFE電子源10的等距視圖。

CFE電子源10包括絲(filament)2，絲2支撐具有尖端4的發射器3並加熱發射器3，電子從發射器3發射出來。尖端4具有小的(奈米級)半徑。

加熱電流可以透過安裝在絕緣(陶瓷材料)插座(socket)上的電極5提供給絲2。

在加熱製程中供應加熱電流，該加熱製程用於電子發射器為了正常操作、為了清洗、為了處理或為了其他原因而需要加熱的情況。例如，週期性地加熱發射器3，其提供尖端表面的清洗(快閃(flashing))以穩定電子發射過程。發射極3通常由鎢、鉭、錸、鉬、銥、其他類似金屬或該等金屬的合金的單晶製成。

CFE電子源的缺點之一是發射器3的機械振動。這種振動顯著地限制了電子束設備的可實現的分辨率。該等振動的頻率在kHz範圍內，且可能導致具有幾奈米幅度的電子束的偏差。

已經發現CFE電子源的共振頻率是幾千赫茲(例如-2845千赫茲)，這意味著環境聲波導致CFE電子源振動。

越來越需要提供非常穩定的CFE電子源，尤其是具有次奈米效能的系統。

可以提供一種場發射器以及用於組裝冷場發射器的方法。

在一個態樣中，一種帶電粒子束源包括：插座；第一及第二電極，耦接至插座且彼此間隔開；發射器支架，耦接至插座並設置在第一及第二電極之間，發射器支架包括從插座朝向遠端延伸的主體；第一及第二支撐件，設置在發射器支架的遠端處，且彼此間隔開，而在其間界定縫隙；發射器支撐元件，跨越縫隙並耦接至第一及第二支撐件；發射器，耦接至發射器支撐元件，並包括用於發射帶電粒子的尖端；絲，耦接至第一及第二電極以及發射器，其中第一及第二電極經配置以向絲提供電訊號。在另一態樣中，一種帶電粒子束源包括：陶瓷插座；第一及第二電極，耦接至陶瓷插座且彼此間隔開；陶瓷支架，與陶瓷插座整合並設置在第一及第二電極之間，陶瓷支架包括從陶瓷插座朝向遠端延伸的主體，其中陶瓷支架包括彼此間隔開的第一及第二支撐件；發射器支撐元件，在陶瓷支架的遠端處耦接至第一及第二支撐件；發射器，焊接至發射器支撐元件，發射器包括經配置以用於發射帶電粒 子的具有奈米級半徑的發射器尖端；絲，耦接至第一及第二電極以及發射器，其中第一及第二電極經配置以向絲提供電訊號。

2:絲

3:發射器

4:尖端

5:電極

10:CFE電子源

100:CFE電子源

101:陶瓷插座

102:絲

103:發射器

104:尖端

105:電極

106:陶瓷尖端支撐件

107:發射器樑

203:電子發射器

206:尖端支撐件

207:發射器樑

208:支撐件

209:支撐件

303:發射器

306:尖端支撐件

307:發射器樑

308:球形支撐件

309:球形支撐件

403:發射器

406:尖端支撐件

407:發射器樑

409:球形支撐件

410:球形支撐件

503:發射器

506:尖端支撐件

507:發射器樑

510:可調整柱塞

511:中心孔

512:螺旋彈簧

513:彈簧柱塞

514:殼體

515:調整螺絲

700:方法

710:步驟

720:步驟

730:步驟

視為本發明的專利標的特別指出於且清楚主張於本說明書的結論部分。然而，同時作為組織與操作方法的本發明，連同其目的、特徵和優點可藉由閱讀以下附圖時參考以下詳細描述而得到最好的理解，其中：圖1表示先前技術CFE電子源的等距視圖。

圖2表示CFE電子源的實例的等距視圖；圖3表示CFE電子源的實例的局部橫截面；圖4表示CFE電子源的實例的局部橫截面視圖；圖5表示CFE電子源的實例的局部橫截面視圖；圖6表示用於組裝CFE電子源的治具(jig)的實例的橫截面圖；及圖7表示方法的實例。

可以理解，為了圖示的簡化與清楚起見，圖中所示的元件不必按比例繪製。例如，為了清楚起見，一些元件的尺寸可能相對於其它元件而誇大。此外，在適當的情況下，數字編號可於圖示之間重複以代表相應或類似的元件。

在下文的詳細描述中，闡述諸多具體細節以提供對本發明的完整理解。然而，發明所屬領域中具有通常知識者可在沒有該等具體細節的情況下實施本發明。在其它實例中，為了不混淆本發明，未詳述習知的方法、過程與元件。

視為本發明的專利標的特別指出於且清楚主張於本說明書的結論部分。然而，同時作為組織與操作方法的本發明，連同其目的、特徵和優點可藉由閱讀以下附圖時參考以下詳細描述而得到最好的理解。

因為對於本發明的大部分實施例，可使用發明所屬領域中具有通常知識者所習知的電子元件與模組來實施本發明所示實施例，所以對於本發明下述概念之理解與認識以及為了不混淆或分散本發明教示之焦點，將不會解釋本發明細節超過上述所需之範圍。對於各式元件所指定之相同數字編號可能代表該等元件彼此相似。

圖2表示帶電粒子束源(如CFE電子源100)的實例的等距視圖，其包括電子發射器的附加支撐件。CFE電子源100包括陶瓷插座101、絲102，絲102支撐具有尖端104的發射器103並加熱發射器103，電子從發射器103發射出來。

尖端104可具有可能的最小半徑-但這不一定如此。

加熱電流可以透過電極105提供給絲102，電極105安裝在絕緣插座(如陶瓷插座101)上。

加熱製程使用於電子發射器為了正常操作、為了清洗、為了處理或為了其他原因而需要加熱的情況。

陶瓷插座101具有陶瓷尖端支撐件106，陶瓷尖端支撐件106為陶瓷插座101的組成部分。發射器103連接到支撐元件，如可以藉由點焊連接的發射器樑(beam)107。發射器樑107是支撐元件的非限制性實例。

發射器樑107由陶瓷尖端支撐件106上的兩個端部支撐。絲102例如藉由點焊接合到電極105。發射器103的附加支撐件允許增加結構的剛度、共振頻率的增加以及減小共振振盪的幅度。

圖3表示CFE電子源100的實例的局部橫截面圖，CFE電子源100具有電子發射器203的支撐件208和支撐件209。支撐件208和支撐件209是尖端支撐件206的整合部分。支撐件208和支撐件209可以是圓柱形支撐件。

例如，發射器樑207藉由點焊連接到電子發射器203。

在清洗製程期間，絲加熱尖端。絲加熱發射器和發射器樑。發射器和發射器樑在加熱時膨脹，然後在加熱製程結束後收縮。發射器樑的膨脹和收縮導致發射器樑相對於支撐件208和支撐件209移動。該等移動不應被支撐件208和支撐件209妨礙。因此，最小化(或以其他方 式減小)發射器樑207、支撐件208和支撐件209之間的摩擦力可能是有益的。

可藉由以DLC(類鑽石碳)塗覆支撐件208和支撐件209的表面和/或藉由任何其他方式來減小摩擦力。DLC塗層具有高表面硬度、低摩擦係數、高耐磨性以及與超高真空(UHV)環境的兼容性。然而，這種塗層可在高達500℃的溫度下使用。對於高溫應用，可使用如氮化鈦(TiN)或氮化鉻(CrN)塗層。

表1呈現具有支撐件208和支撐件209的CFE電子源100的模態分析(藉由ANSYS模擬工具的有限元素分析)的結果。

第一模態的自然頻率增加約6.5倍，這使共振振蕩的幅度減小約40倍。

圖4表示具有發射器303的球形支撐件(如球形支撐件308和球形支撐件309)的實例CFE電子源100的局部橫截面圖。球形支撐件308和球形支撐件309例如由藍寶石製成，其提供在低摩擦力下操作的能力，在UHV環境和高溫下具有高耐磨性。

球形支撐件308和球形支撐件309安裝在尖端支撐件306上的錐形凹穴中。這樣的設計允許從發射器樑307到尖端支撐件306的最小熱傳遞(因為，在這種情況下，球形支撐件308和309與尖端支撐件306之間的理論接觸為一點)，其穩定了發射器303的溫度。例如，發射器樑307藉由點焊連接到發射器303。

為了簡化說明，未示出支撐和加熱發射器303的絲。發射器303的自然頻率接近表1中所示的結果。

圖5表示CFE電子源100的實例的其他示意性局部橫截面視圖。在此處，發射器403具有球形支撐件410，球形支撐件410藉由焊接連接到發射器403。發射器403的支撐表面可經成形為球形曲線。

發射器403(經由球形支撐件410)可自由地支撐發射器樑407。發射器樑407在一端牢固地(例如藉由銅焊(brazing)或焊接(soldering))連接到尖端支撐件406，而發射器樑407的另一端由球形支撐件409所支撐，球形支撐件409安裝在尖端支撐件406的錐形凹穴中。

球形支撐件409可由藍寶石製成-其提供在低摩擦力下操作的能力，在UHV環境和高溫下具有高耐磨性。

此設計在發射器403和發射器樑407之間具有非常小的接觸面積-這使該等元件之間的熱傳遞最小 化。為了簡化說明，這裡沒有示出支撐以及加熱發射器403的絲。

電子發射器403的自然頻率接近表1中所示的結果。

圖6表示用於組裝CFE電子源100的調整治具的實例的局部橫截面視圖的示意圖。

調整治具包括具有中心孔511的可調整柱塞510、螺旋彈簧512、彈簧柱塞513、殼體514和調整螺絲515。

殼體514安裝在陶瓷插座上(未圖示於圖6中)，且發射器503位於可調整柱塞510的中心孔511內。

調整螺絲515移動彈簧柱塞513並壓縮螺旋彈簧512，且如此改變了將可調整柱塞510按壓到發射器樑507上的力，例如由尖端支撐件506的圓柱形支撐件支撐發射器樑507。

因此，調整需要的撓度(deflection)量△。可藉由光學、電子或機械儀器量測撓度△。撓度△的值可取決於系統的幾何參數(例如，發射器、發射器樑和絲)。發射器樑的撓度△可確保在正常操作條件下和在發射器的加熱期間(當系統部件膨脹時)發射器樑與其支撐件之間的恆定接觸。

冷場發射器電子源的調整和組裝藉由以下程序施行：

a.將具有發射器樑的發射器安裝在調整治具上(發射器位於治具中心孔內，發射器光束與可調整柱塞接觸)。

b.將具有發射器和發射器樑的治具安裝在插座上。

c.將整個結構牢固地固定在插座上。

d.設定需要的變形量△。

e.將絲焊接到電極上。

f.從插座上卸下治具。

圖7表示方法700的實例。

方法700係用於組裝帶電粒子束源。

方法700可由步驟710開始：藉由定位裝置將支撐元件定位在支撐結構的一個或多個介面上。支撐元件屬於帶電粒子束源並連接到發射器，該發射器具有用於發射帶電粒子的尖端。帶電粒子束源亦可包括插座、電極、絲及用於向該絲提供電訊號的電極，該絲連接到該發射器和該等電極。

步驟710之後可以是步驟720：將絲連接到電極。

步驟720之後可以是步驟730：從定位裝置釋放支撐元件。

步驟710可以包括以下步驟中的至少一個：

g.使支撐元件往支撐結構彎曲。

h.將支撐元件僅連接到支撐結構的單個點。

步驟710可不包括以下步驟：將支撐元件連接到支撐結構。

步驟720可以包括將絲焊接到電極。

術語「包括」是「包含」、「含有」或「具有」同義詞(表示相同意思)，並且是包含性或開放式的，不排斥另外的、未列舉的元件或方法步驟。

術語「由……組成」是封閉式的(僅包括所陳述的內容)，且不包括任何另外的、未列舉的元件或方法步驟。

術語「實質由……組成」將範圍限制於指定的材料或步驟以及不會實質上影響基本和新穎特徵的材料或步驟。

在申請專利範圍和說明書中，對術語「包括」(或「包括」或「含有」)的任何提及應準用於術語「由……組成」，且應準用於短語「實質由……組成」。

在前述的說明書中，本發明已經參照本發明實施例的具體實例描述。然而，很明顯的是，在不違背所附申請專利範圍中所闡述的本發明更廣之精神及範圍下，可對本發明作各種修改和變化。

此外，說明書和申請專利範圍中如果有術語「前」、「後」、「頂部」、「底部」、「上方」、「下方」等，其用於說明之目的而不必然用於描述永久相對位置。應當理解，如此使用的術語在適當的情況下是可互換 的，使得本文描述的本發明的實施例例如能夠以不同於本文所示或以其他方式描述的方向來操作。

本領域具有通常知識者將認識到，邏輯塊之間的邊界僅是作為說明，且替代實施例可合併邏輯塊或電路元件或者對各種邏輯塊或電路元件施加功能的替代分解。因此，可以理解的是，本發明所描述的架構僅僅是示例性的，且事實上許多其他架構可以實現相同的功能。

實現相同功能的任何元件配置被有效地「關聯」，使得期望的功能得以實現。因此，經組合以實現特定功能之本說明書中的任何兩個元件可以被看作是彼此「有關聯的」，使得不管架構或中間元件如何，都能實現期望的功能。同樣地，如此相關聯的任何兩個元件亦可以看作是彼此「可操作地連接」或「可操作地耦接」以實現所期望的功能。

本領域具有通常知識者將認識到上述操作之間的邊界僅是說明性的。可結合多個操作為單一操作，單一操作可分佈在額外的操作中，以及操作可在時間上至少部分重疊執行。此外，替代實施例可包括特定操作的多個實例，且操作的順序可在各種其它實施例中改變。

然而，其他修改、變型和替換也是可能的。因此，說明書與圖式係說明性的而不是在限制性的意義上。

在請求項中，置於括號之間的任何參考標記不應被視為限制該請求項。「包括」一詞不排除請求項中所列的元件或步驟之外的其他元件或步驟。此外，本說明書 所用的術語「一(a)」或「一(an)」被定義為一個或多於一個。此外，請求項中引導式片語如「至少一個」及「一或多個」之使用不應解釋為暗示由不定冠詞「一(a)」或「一(an)」引入的另一請求項元件將包含此引入請求項元件的任何特定請求項限制為只包含一個此元件的發明，即使當相同請求項包括引導式片語「一或多個」或「至少一個」及如「一(a)」或「一(an)」的不定冠詞，亦是如此。除非另外表示，否則術語如「第一」和「第二」用於作為此類術語描述的元件之間的任意區別。因此，該等術語不必意圖表示此等元件的時間或其他優先順序。某些手段記載在互不相同的請求項中之事實不表示該等手段的組合不能被有利地使用。

雖然本發明的某些特徵已在本文中說明及描述，但本領域具有通常知識者將有許多修改、替換、改變及等效物。因此，可以理解的是，所附申請專利範圍意欲涵蓋落於本發明真正精神內的所有該等修改和變化。

100‧‧‧CFE電子源

101‧‧‧陶瓷插座

102‧‧‧絲

103‧‧‧發射器

104‧‧‧尖端

105‧‧‧電極

106‧‧‧陶瓷尖端支撐件

107‧‧‧發射器樑

Claims (20)

1. 一種帶電粒子束源，包括：一插座；第一及第二電極，耦接至該插座且彼此間隔開；一發射器支架，耦接至該插座並設置在該第一及第二電極之間，該發射器支架包括從該插座朝向一遠端延伸的一主體；第一及第二支撐件，設置在該發射器支架的該遠端處，且彼此間隔開，而在其間界定一縫隙；一發射器支撐元件，跨越該縫隙並耦接至該第一及第二支撐件；一發射器，耦接至該發射器支撐元件，並包括用於發射帶電粒子的一尖端；一絲，耦接至該第一及第二電極以及該發射器，其中該第一及第二電極經配置以向該絲提供電訊號。
2. 如請求項1所述之帶電粒子束源，其中該第一及第二電極延伸穿過在該插座中形成的孔。
3. 如請求項1所述之帶電粒子束源，其中該絲包括：一第一絲元件及一第二絲元件，該第一絲元件連接到該第一電極，該第二絲元件連接到該第二電極。
4. 如請求項1所述之帶電粒子束源，其中該發 射器支架的一縱軸平行於該尖端的一縱軸。
5. 如請求項1所述之帶電粒子束源，其中該發射器支撐元件塗覆類鑽石碳，其中該第一及第二支撐件耦接至該發射器支撐件。
6. 如請求項1所述之帶電粒子束源，其中該發射器支撐元件僅連接到該發射器支架的一個點。
7. 如請求項1所述之帶電粒子束源，其中該第一及第二支撐件包括一個或多個可移動元件，該一個或多個可移動元件可移動地耦接到該發射器支架的一主體。
8. 如請求項1所述之帶電粒子束源，其中該第一及第二支撐件包括一個或多個可移動球體，該一個或多個可移動球體可移動地耦接到該發射器支架的一主體。
9. 如請求項1所述之帶電粒子束源，其中該第一及第二支撐件包括一個或多個熱隔離器。
10. 如請求項1所述之帶電粒子束源，其中該第一及第二支撐件延伸超出該發射器支架的一中間部分，從而當該發射器支架支撐該發射器支撐元件時，在該中間部分和該發射器支撐元件之間界定一縫隙。
11. 如請求項1所述之帶電粒子束源，其中該插座和該發射器支架是陶瓷的。
12. 如請求項1所述之帶電粒子束源，其中該發射器的一共振頻率超過10000赫茲。
13. 如請求項1所述之帶電粒子束源，其中該發射器支撐元件是具有一縱軸的一樑，該縱軸與該絲所界定的一假想平面正交。
14. 一種用於組裝一帶電粒子束源的方法，該方法包括以下步驟：藉由一定位裝置將一支撐元件定位在一支撐結構的一個或多個介面上，其中該支撐元件屬於一帶電粒子束源且連接到一發射器，該發射器包括用於發射帶電粒子的一尖端，且其中該帶電粒子束源進一步包括一插座、電極、一絲及用於向該絲提供電訊號的電極，該絲耦接到該發射器和該等電極；將該絲連接到該等電極；及將該支撐元件從該定位裝置釋放。
15. 如請求項14所述之方法，其中該連接的步驟包括以下步驟：將該絲焊接到該等電極。
16. 如請求項14所述之方法，其中該定位的步驟包括以下步驟：將該支撐元件往該支撐結構彎曲。
17. 如請求項14所述之方法，其中該定位的步驟不包括以下步驟：將該支撐元件連接到該支撐結構。
18. 如請求項14所述之方法，其中該定位的步驟包括以下步驟：將該支撐元件僅連接到該支撐結構的一單個點。
19. 一種帶電粒子束源，包括：一陶瓷插座；第一及第二電極，耦接至該陶瓷插座且彼此間隔開；一陶瓷支架，與該陶瓷插座整合並設置在該第一及第二電極之間，該陶瓷支架包括從該陶瓷插座朝向一遠端延伸的一主體，其中該陶瓷支架包括彼此間隔開的第一及第二支撐件；一發射器支撐元件，在該陶瓷支架的該遠端處耦接至該第一及第二支撐件；一發射器，焊接至該發射器支撐元件，該發射器包括經配置以用於發射帶電粒子的具有一奈米級半徑的一發射器尖端；一絲，耦接至該第一及第二電極以及該發射器，其中該第一及第二電極經配置以向該絲提供電訊號。
20. 如請求項19所述之帶電粒子束源，其中該發射器支撐元件包括在該第一及第二支撐件之間延伸並具有包括一類鑽石碳塗層的一表面的一樑。