具有多個可選擇粒子發射器的帶電粒子源的製作方法

2023-06-06 15:43:01

專利名稱：具有多個可選擇粒子發射器的帶電粒子源的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及聚焦帶電粒子束系統並且具體地涉及用於生成聚焦帶電粒子束的帶電粒子源。
背景技術：
在包括電子顯微鏡和聚焦離子束系統的帶電粒子系統中，典型地使用鏡筒將帶電粒子束聚焦到要使用該波束進行成像和(可選地)處理的目標的表面上。在這些鏡筒中，帶電粒子源生成初始的電子或離子束，然後將初始的電子或離子束傳遞到帶電粒子「槍」中， 該帶電粒子「槍」典型地將帶電粒子聚焦成大致平行的波束，該大致平行的波束進入鏡筒的主體，在該主體處可以消隱(blank)(即開啟和關閉)該波束、使該波束偏轉(在目標表面上來回移動)並將該波束聚焦到目標表面上。帶電粒子所源自的源內的部件被稱作「發射器」， 典型地包括非常尖的金屬點。一般地，在現有技術中，帶電源包括單個帶電粒子發射器(諸如，針對電子的冷場發射器或肖特基發射器、或者針對離子(通常帶正電)的氣態場離子化或液態金屬離子源。在液態金屬離子源(LMIS)的情況下，該金屬點是液體，但是在其他源類型中，該金屬是固體，通常稱為「尖端」。碳納米管也可以用作電子發射器。然而在所有情況下，這些發射器由受諸如以下的各種因素限制的有限壽命表徵尖端的離子轟擊腐蝕或者表面汙染，從而使該尖端隨時間變得更鈍直到發射在可接受的提取電壓下不再可持續為止。對於帶電粒子鏡筒的優化操作，有必要使該源與鏡筒的對稱(或光)軸精確對準， 典型地達到在5至20 μπι內。因此，帶電粒子源一般由多軸運動組件支撐，從而在系統操作期間允許源運動。觀察到由鏡筒在目標上形成的圖像，然後移動該源，直到針對所需的特定應用，圖像具有充足的對比度和解析度為止。在一些情況下，除了成像以外，帶電粒子束可以用於處理該目標，諸如電子束誘導蝕刻(ΕΒΙΕ)、電子束誘導沉積(EBID)、離子銑削、離子束誘導蝕刻(ΙΒΙΕ)、離子束誘導沉積(IBID)、次級離子質譜(SIMS)等。

發明內容
本發明的目的是將聚焦帶電粒子系統內的多發射器帶電粒子源配置為能夠操作於多個發射模式。一些發射模式實現了比先前通過順序地使用相繼使用的多個單個發射器而可達到的壽命長得多的源壽命。總體源壽命則是個體發射器壽命之和。其他發射模式使用所述多個發射器來實現用於對目標進行快速處理的高波束電流。以上相當寬泛地概括了本發明的特徵和技術優勢，以便可以更好地理解本發明的以下詳細描述。在下文中將描述本發明的附加特徵和優勢。本領域技術人員應當認識到， 所公開的概念和具體實施例可以容易地用作用於修改或設計用於實現本發明的相同目的的其他結構的基礎。本領域技術人員也應當認識到，這種等效的構造並不脫離所附權利要求中限定的本發明的精神和範圍。


為了更全面地理解本發明及其優勢，現在參照結合附圖而進行的以下描述，在附圖中
圖1示出了具有多個帶電粒子發射器和發射器控制電路的帶電粒子源的示意圖。圖2是能夠實現本發明的多發射器帶電粒子源的示例性帶電粒子鏡筒的橫截面側視圖。圖3是橫切圖2的鏡筒的、圖1的源中的軸上發射器的帶電粒子軌跡的側視圖。圖4是橫切圖2的鏡筒的、圖1的源中的離軸發射器的帶電粒子軌跡的側視圖。圖5 (A) - (D)是在背側尋址的情況下包括6個冷場發射器的本發明第一實施例的各個視圖。圖6 (A)- (D)是在背側尋址的情況下包括12個冷場發射器的本發明第二實施例的各個視圖。圖7 (A) - (D)是在正側尋址的情況下包括6個冷場發射器的本發明第三實施例的各個視圖。圖8 (A)- (D)是在正側尋址的情況下包括12個冷場發射器的本發明第四實施例的各個視圖。圖9 (A)- (D)是在正側尋址和側向氣體饋送口的情況下包括12個氣態場離子化離子發射器的本發明第五實施例的各個視圖。圖10 (A) - (D)是在正側尋址和軸向氣體饋送口的情況下包括12個氣態場離子化離子發射器的本發明第六實施例的各個視圖。圖11是在正側尋址和軸向液態金屬饋送口的情況下包括多個液態金屬離子源的本發明第七實施例的橫截面側視圖。圖12是在背側尋址的情況下本發明的帶電粒子源的控制電路的簡化電氣示意圖。圖13是在正側尋址的情況下本發明的帶電粒子源的控制電路的簡化電氣示意圖。圖14A是從圖1的發射器陣列內的單個帶電粒子發射器發射的帶電粒子的側示意圖。圖14B是圖14A中的帶電粒子源的特寫示意圖。圖15A是從圖1的發射器陣列內的多個帶電粒子發射器發射的帶電粒子的側示意圖。圖15B是圖15A中的帶電粒子源的特寫示意圖。圖16是可適用於本發明的多發射器源的對準過程的流程圖。
具體實施例方式本發明適用於採用聚焦帶電粒子(電子或離子)束對目標進行成像和(可選地)處理的帶電粒子系統。典型地，這些系統採用帶電粒子源來形成初始波束，然後通過鏡筒內的靜電和(可選地)磁元件(諸如透鏡、消隱器和偏轉器)來對該初始波束進行加速、聚焦、消隱和偏轉。該源的合適操作對於帶電粒子系統的可接受運行來說是關鍵的。典型地，源操作可以由以下參數(等等)來表徵
1)總發射電流
2)發射模式，即粒子如何從該源出現？
3)發射能量分布
4)虛擬源大小，即發射面積顯現為多大？
5)源壽命，即在退化之前其發射多少小時？
與現有技術的單發射器源可能的情況相比，本發明的帶電粒子源的實施例實現了對上述參數中的若干參數的更大控制。實施例可以使用任何類型的發射器，諸如冷場發射器 (CFE)，包括Spindt尖端發射器，碳納米管發射器，肖特基源，氣態場離子化源(GFIS)和液態金屬離子源(LMIS)。本發明的實施例可以操作於若干模式。在高亮度操作模式中，從多個發射器當中激活的單個發射器中生成帶電粒子束——該模式由高亮度和中等發射電流表徵，其中非常小的虛擬源大小使得能夠在目標表面上形成小的聚焦斑點。在高角強度(high angular intensity)操作模式中，同時激活所述多個發射器當中的多個發射器以產生更高的總波束電流(因此產生更高角強度)，但是以更大的虛擬源大小和更低的亮度為代價——該模式使得能夠在目標表面上形成高電流更大斑點。本發明的多個可獨立尋址發射器源由用於在陣列的背側或正側尋址個體發射器的備選裝置表徵。所謂可獨立尋址是指可以獨立地使發射器發射或不發射帶電粒子。儘管實施例將每個發射器示為可獨立尋址，但是在一些實施例中，發射器組可以是可尋址的。例如。中心發射器可以是可獨立尋址的，而離軸發射器環是作為獨立於中心發射器的組而可尋址的，儘管該環中不是每個發射器都可以是可分離尋址的。描述了本發明的七個示例性實施例，包括針對電子的冷場發射器以及針對離子的氣態場離子化(GFI)源和液態金屬離子(LMI)源兩者。在同時激活多個發射器的操作模式中，與現有技術中相比，更大的總發射電流是可能的。一次一個地順序使用多個發射器實現了與現有技術相比在源壽命上的實質增加。 其他參數中的若干參數將與現有技術相同，諸如發射模式(尖端幾何形狀的函數)、發射能量分布(多個尖端和發射電流相關因素的函數)和源大小(在單發射器操作的情況下)。在若干優選實施例中，源內的多個發射器處於鏡筒軸的足夠小的半徑內以使得所有發射器可以被認為是對準的並且可以使用小的對準偏轉。針對兩個不同發射器尋址方案 (背側和正側)提出了代表性電氣控制電路以及對操作於不同發射模式(單發射器和多發射器)的本發明的角強度和亮度的分析。最後，針對源內的所有發射器描述了對準規程，從而針對軸上尖端和離軸尖端兩者實現所有操作模式中的優化性能。以下章節首先描述了與總體源大小和發射器在源內的示例性緊湊分布相關的多發射器源概念。接著，描述了能夠實現本發明的源的鏡筒以及用於示意與在目標上形成聚焦斑點的主透鏡的機械和靜電波束對準的代表性軸上和離軸軌跡。接著，描述了本發明的七個實施例，包括電子源和離子源兩者並且示意了用於對源內的個體發射器進行獨立尋址的兩種方法。提出了源的簡化電氣控制電路，論證了用於激活單個發射器和多個發射器兩者的方法。討論了各個操作模式中的源角強度和亮度的原點(origin)，示意了高亮度操作和高角強度操作兩者。最後，提出了用於中心(軸上)發射器和多個離軸發射器兩者的對準規程。具有多個可獨立尋址帶電粒子發射器的帶電粒子源
圖1示出了具有多個帶電粒子發射器101-112和發射器控制電路140的帶電粒子源 100的示意圖。第一發射器101位於發射器陣列的中心處。圍繞發射器101的是5個發射器102-106的第一環。6個發射器107-112的第二環圍繞第一發射器環。因此，總共12個發射器101-112位於以發射器101為中心的半徑136的圓134內。控制線路121-132每一個連接至相應的發射器101-112，例如控制線路121確定發射器101是否活動(即，發射帶電粒子)等等。進而通過與帶電粒子系統控制器(未示出)相連接的控制線纜142來控制發射器控制電路140。以下在第一至第七實施例(圖5-11)的描述中提供了發射器101-112的架構的細節。以下在圖12-13中提供了各個實施例的控制電路的細節。對帶電粒子鏡筒(諸如掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描透射電子顯微鏡(STEM)、聚焦離子束(FIB)鏡筒等)中的任何帶電粒子源的合適操作的考慮是 帶電粒子源與鏡筒的光軸的對準。典型地，傳統(即，單發射器)帶電粒子源的發射器在至多 5至20 μ m內與鏡筒軸機械對準。可以容忍的確切未對準量由鏡筒設計的細節和操作模式 (具體地為源至目標的縮小)確定。過度未對準將誘導離軸幾何像差和色差，這將對目標處可得到的波束斑點大小、形狀和電流密度造成有害影響。因此，帶電粒子源一般安裝在機械運動組件中，從而使得該源能夠在帶電粒子系統的操作期間與鏡筒軸物理對準。一種頻繁採用以輔助該實時對準過程的規程是使包含帶電粒子源的槍中的透鏡中的電壓或電流「搖擺」。該搖擺造成透鏡強度的非常低頻率(典型地為0.1-0. 3 Hz)的小變化，這導致在帶電粒子源與槍中的透鏡的軸未對準的情況下目標的圖像的振蕩運動。然後，使用X-Y運動(以及在一些情況下，Z和傾斜運動，其中Z是鏡筒軸)，移動該源以減小或(優選地)消除該圖像 「搖擺」，從而指示該源已與鏡筒機械對準。在該源中包含發射器陣列的帶電粒子源對該對準規程提出了難題，這是由於一次僅可以在鏡筒的軸上物理定位這些發射器中的一個發射器。以下將更詳細描述的圖16概括了可適用於本發明的多發射器源的對準過程。還可以使用其他對準過程。圖16的過程首先使用本領域技術人員所熟知的波束「搖擺」過程將中心發射器與鏡筒軸機械對準。中心發射器被認為由於缺少圖像搖擺而與軸對準。在完成該操作之後，進而激活其他(離軸) 發射器中的每一個，並確定為了消除圖像搖擺而需要的對準偏轉器(其可以是用於對目標進行成像的波束偏轉器)的所需X-Y設置。注意，在所描述的實施例中1)中心發射器可以與鏡筒機械對準(使其處於軸上);2)所有離軸發射器電氣對準；以及3)每個離軸發射器具有分離且唯一的X-Y對準偏轉，這是由於每個發射器具有與鏡筒軸的不同機械偏移。帶電粒子鏡筒的實施例
圖2是能夠實現本發明的帶電粒子源202的示例性帶電粒子鏡筒200的橫截面側視圖。在源202與提取電極204之間施加「提取」電壓。如果源202發射電子，則該偏置電壓可以典型地為+3000至+5000V。如果源202發射正離子，則該偏置電壓可以典型地為-7000 至-15000V。在所有情況下，源202中的發射器典型地包括非常尖的結構諸如針狀體或錐體(共同稱為「尖端」)，其趨於將發射器202與提取器204之間的幾乎所有電壓降集中於發射器尖端附近(幾十μπι)。帶電粒子的初始發射一般到具有大約30°半角(g卩，立體角為 π (π 30° /180° )2 0.86立體弧度)的錐體中。帶電粒子「槍」包括源202、提取器204、槍聚集電極206和槍出口電極208。在槍中也示出了限束孔徑(BDAM10，安裝在槍出口電極 208內。對槍聚焦電極206施加聚焦電壓，並且對槍出口電極208偏置至地電勢(OV)—— 因此在該示例中，由於目標也被偏置至地電勢，因此離開該槍的帶電粒子已經處於其最終波束能量。提取器204、聚焦電極206和出口電極208上的不同電壓在鏡筒軸上和附近誘導槍內的電場——這些電場偏轉並聚焦帶電粒子，如圖3和4的軌跡圖所示。在一些情況下，存在最小聚焦效應，尤其對於以下情況在目標處期望更小波束，因此需要更高的源縮小。在其他情況下，槍將形成大體平行的波束，該大體平行的波束然後通過主透鏡以較低的縮小被聚焦到目標上，從而產生具有更高電流的更大波束。處於槍之下的是波束消隱器，包括電極212和214。當波束開啟時，電極212和214兩者典型地處於0V，因此波束230未偏轉地經過消隱器和BBA 216。為了關閉波束，對電極212施加正電壓並對電極214施加負電壓，從而使波束230離軸偏轉以碰撞BBA 216。典型的消隱電壓可以為5至10 V。處於BBA 216之下的是上偏轉器218和下偏轉器220。典型地，這兩個偏轉器均為四極或八極(靜電的和/或磁的)。在所有情況下，偏轉需要偶極場——諸如八極之類的較高階電極配置用於通過產生更均勻的場來減小偏轉像差，如本領域技術人員所熟知的。偏轉器218和220包括「雙偏轉器」，其可以控制進入主透鏡的波束位置和斜度，如圖3和4所示。電極222、2M和2 包括主透鏡，該主透鏡將波束230聚焦到目標228的表面上的位置232處。在這裡所示的示例中，電極222和2 上的電壓相同，處於相對於地的0 V。為了聚焦，電極2 上的電壓則將不同於0 V以便在電極222、2M和2 之間生成必要的聚焦電場。在來自源202的電子發射的情況下，如果電極2M上的電壓 0 V，則主透鏡是「加速透鏡」。對於來自源202的正離子發射的情況，將反轉這些電壓。這兩種類型的主透鏡配置都適於與本發明的多發射器源 202 一起使用。軸上和離軸帶電粒子發射器的示例性軌跡
圖3是橫切圖2的鏡筒200的軸上發射器(諸如圖1的源100中的發射器101)的帶電粒子軌跡的側視圖300。鏡筒200具有光軸312、限束孔徑(BDAM10和消隱孔徑(BBAM16。 包括圖2中的電極204、206和208的槍透鏡由會聚透鏡304示意性地表示。類似地，包括圖2中的電極222、2M和226的主透鏡由會聚透鏡306示意。在該示例中，發射器302處於軸上(與圖1中的發射器101相對應)，並且發射器302已與鏡筒200機械對準(參見圖16 中的對準規程)。因此，波束314也處於軸上並且不需要上偏轉器218或下偏轉器220上的任何對準電壓以將軸上和與軸平行的波束314瞄準到主透鏡306中。通過主透鏡306將波束314聚焦到目標308的表面上的軸上位置310處。鏡筒對準的目標是確保在軸312上以及還有與軸312平行傳播的波束314都進入主透鏡306，如這裡所示——包括波束314的各個軌跡由射線跟蹤程序SIMION 7. 0生成，並且與圖2所示的鏡筒設計相對應。圖4是橫切與圖3中相同的鏡筒的離軸發射器402(例如，圖1的源100中的發射器102-112中的任一個)的帶電粒子軌跡的側視圖400。圖3和圖4之間的兩個關鍵區別在於1)發射器402是離軸的；以及2)現在激活上偏轉器218和下偏轉器220以生成偶極偏轉電場，其中對波束414的合成力向量分別如箭頭416和418所示。離軸的發射器402的效果可以見於圖4左側的槍內——波束414初始朝向軸312向下偏轉、從軸312之下的槍出現並呈向下角度，如圖所示。假定已經執行圖16中的對準規程，從而在上偏轉器218和下偏轉器220上生成所需的X-Y對準偏轉電壓。由偏轉器218和220內的偶極場誘導的波束偏轉的組合結果是將軸312上和與軸312平行的波束414都瞄準到主透鏡306中。由此，將波束聚焦到目標308上的軸上位置410處(S卩，位置410與圖3中的位置310等效)。第一實施例——在背側尋址的情況下具有6個冷場發射器的陣列的電子源
圖5 (A) - (D)是在背側尋址的情況下包括6個冷場發射器的本發明第一實施例的各個視圖。「背側尋址」是指用於對每個發射器501-506施加提取電壓(參見以上圖1的討論) 的方法——在該尋址方法中，所有發射器501-506共享公共提取電極508，但每個發射器尖端分別具有唯一的背側電連接521-526。視圖(A)示出了電子源的俯視圖(即，從鏡筒看向該源中的視圖——將從該圖的平面向外發射電子)500，其中發射器501處於中心，被5個離軸發射器502-506圍繞。視圖(B)是「X射線」俯視圖520，從與視圖(A)中相同的方向穿過源的所有層看去。現在可以看到6個背側尋址連接521-526。視圖(C)540和(D)560分別表示如視圖(B)所示的橫截面A-A和B-B。可以在襯底546上製造該源，該襯底546可以是塗覆有絕緣層(諸如二氧化矽)的半導體晶片或絕緣材料(諸如陶瓷)。在橫截面側視圖A-A中可以看到中心發射器501和離軸發射器504。典型地，所有 6個發射器501-506由鉬或鎢製造，並可以支撐在大致圓柱形的柱542上，該柱542典型地可以是鎳。如視圖(C)和(D)所示的，通過背側連接521-5 對每個發射器501-506施加電壓。絕緣層544支撐正側柵層508，該正側柵層508是導電的且在如視圖(A)所見的源正面上連續。對於其中僅激活一些發射器(導致相鄰背側連接(諸如視圖(C)中的521和524)之間的電壓差)的情況，該絕緣層544也用於將背側連接521-526中的每一個彼此電氣隔離。 以下將在圖12中討論本發明第一實施例的操作。第二實施例——在背側尋址的情況下具有12個冷場發射器的陣列的電子源
圖6 (A)- (D)是在背側尋址的情況下包括12個冷場發射器的本發明第二實施例的各個視圖。「背側尋址」是指用於對每個發射器601-612施加提取電壓(參見以上圖1的討論) 的方法——在該尋址方法中，所有發射器601-612共享公共提取電極614，但每個發射器尖端分別具有唯一的背側電連接621-632。視圖(A)示出了電子源的俯視圖(即，從鏡筒看向該源中的視圖——將從該圖的平面向外發射電子)600，其中發射器601處於中心，被11個離軸發射器602-612圍繞。視圖(B)是「X射線」俯視圖620，從與視圖(A)中相同的方向穿過源的所有層看去。現在可以看到12個背側尋址連接621-632。視圖(C) 640和(D) 660 分別表示如視圖(B)所示的橫截面C-C和D-D。可以在襯底646上製造該源，該襯底646可以是塗覆有絕緣層(諸如二氧化矽)的半導體晶片或絕緣材料(諸如陶瓷)。在橫截面側視圖C-C中可以看到中心發射器601和離軸發射器604。典型地，所有 12個發射器601-612由鉬或鎢製造，並可以支撐在大致圓柱形的柱642上，該柱642典型地可以是鎳。如視圖(C)和(D)所示的，通過背側連接621-632對每個發射器601-612施加電壓。絕緣層644支撐正側柵層614，該正側柵層614是導電的且在如視圖(A)所見的源正面上連續。對於其中僅激活一些發射器(導致相鄰背側連接(諸如視圖(C)中的621和624)之間的電壓差)的情況，該絕緣層644也用於將背側連接621-632中的每一個彼此電氣隔離。 以下將在圖12中討論本發明第二實施例的操作。第三實施例——在正側尋址的情況下具有6個冷場發射器的陣列的電子源
圖7 (A) - (D)是在正側尋址的情況下包括6個冷場發射器的本發明第三實施例的各個視圖。「正側尋址」是指用於對每個發射器701-706施加提取電壓(參見以上圖1的討論) 的方法——在該尋址方法中，所有發射器701-706共享公共導電基底746，但每個發射器尖端701-706分別具有唯一的提取電極721-726。視圖(A)示出了電子源的俯視圖(即，從鏡筒看向該源中的視圖——將從該圖的平面向外發射電子)700，其中發射器701處於中心， 被5個離軸發射器702-706圍繞。視圖(B)是「X射線」俯視圖720，從與視圖(A)中相同的方向穿過源的所有層看去。現在可以看到6個正側尋址連接721-726。視圖(C)740和(D) 760分別表示如視圖(B)所示的橫截面E-E和F-F。可以在導電襯底746上製造該源，該導電襯底746可以是塗覆有導電層(諸如鉬或鉻)的絕緣材料(諸如陶瓷或無摻雜半導體晶片) 或導電材料(諸如重摻雜半導體晶片)。在橫截面側視圖E-E中可以看到中心發射器701和離軸發射器704。典型地，所有 6個發射器701-706由鉬或鎢製造，並可以支撐在大致圓柱形的柱742上，該柱742典型地可以是鎳。如視圖(C)和(D)所示的，通過公共襯底746對所有發射器701-706施加相同電壓。絕緣層744支撐包括提取器電極721-726的正側圖案化柵層。絕緣層748覆蓋並填充在提取器721-7 之間，從而在相鄰提取器之間以及在提取器與屏蔽層708之間提供電氣絕緣，該屏蔽層708是導電的且在如視圖(A)所見的源正面上連續。屏蔽層708用於在源正面上提供公共電壓以便於在源操作期間在相鄰發射器之間的電子光學隔離。以下將在圖 13中討論本發明第三實施例的操作。第四實施例——在正側尋址的情況下具有12個冷場發射器的陣列的電子源
圖8 (A)- (D)是在正側尋址的情況下包括12個冷場發射器的本發明第四實施例的各個視圖。「正側尋址」是指用於對每個發射器801-812施加提取電壓(參見以上圖1的討論) 的方法——在該尋址方法中，所有發射器801-812共享公共導電基底846，但每個發射器尖端801-812分別具有唯一的提取電極821-832。視圖(A)示出了電子源的俯視圖(即，從鏡筒看向該源中的視圖——將從該圖的平面向外發射電子)800，其中發射器801處於中心， 被11個離軸發射器802-812圍繞。視圖(B)是「X射線」俯視圖820，從與視圖(A)中相同的方向穿過源的所有層看去。現在可以看到12個正側尋址連接821-832。視圖(C)840和 (D) 860分別表示如視圖(B)所示的橫截面G-G和H-H。可以在導電襯底846上製造該源， 該導電襯底846可以是塗覆有導電層(諸如鉬或鉻)的絕緣材料(諸如陶瓷或無摻雜半導體晶片)或導電材料(諸如重摻雜半導體晶片)。在橫截面側視圖G-G中可以看到中心發射器801和離軸發射器804。典型地，所有12個發射器801-812由鉬或鎢製造，並可以支撐在大致圓柱形的柱842上，該柱842典型地可以是鎳。如視圖(C)和(D)所示的，通過公共襯底846對所有發射器801-812施加相同電壓。絕緣層844支撐包括提取器電極821-832的正側圖案化柵層。絕緣層848覆蓋並填充在提取器821-832之間，從而在相鄰提取器之間以及在提取器與屏蔽層814之間提供電氣絕緣，該屏蔽層814是導電的且在如視圖(A)所見的源正面上連續。屏蔽層814用於在源正面上提供公共電壓以便於在源操作期間在相鄰發射器之間的電子光學隔離。以下將在圖13中討論本發明第四實施例的操作。第五實施例——在正側尋址和側向氣體饋送口的情況下具有12個氣態場離子化發射器的陣列的離子源
圖9 (A)-(D)是在正側尋址和側向氣體饋送口的情況下包括12個氣態場離子化(GFI)離子發射器的本發明第五實施例的各個視圖。「正側尋址」是指用於對每個發射器901-912 施加提取電壓(參見以上圖1的討論)的方法——在該尋址方法中，所有發射器901-912共享公共導電基底946，但每個發射器尖端分別具有唯一的提取電極921-932。視圖(A)示出了離子源的俯視圖(即，從鏡筒看向該源中的視圖——將從該圖的平面向外發射正離子) 900，其中發射器901處於中心，被11個離軸發射器902-912圍繞。視圖(B)是「X射線」俯視圖920，從與視圖(A)中相同的方向穿過源的所有層看去。現在可以看到12個正側尋址連接921-932。視圖(C) 940和(D) 960分別表示如視圖(B)所示的橫截面I-I和J-J。可以在導電襯底946上製造該源，該導電襯底946可以是塗覆有導電層(諸如鉬或鉻)的絕緣材料(諸如陶瓷或無摻雜半導體晶片)或導電材料(諸如重摻雜半導體晶片)。襯底946也包含饋送氣體腔(plenum)950，該饋送氣體腔950通過如橫截面側視圖J-J和χ射線視圖(B) 所示的個體饋送孔916向每個發射器尖端901-912供給用於離子化的氣體。將氣體從饋送系統(未示出)供給至腔950，該饋送系統調節壓力以防止過多氣流穿過孔916，這可能在發射器尖端901-912與提取器921-932之間分別誘導真空擊穿和電弧放電。在橫截面側視圖I-I中可以看到中心發射器901和離軸發射器904。典型地，所有12個發射器901-912由鉬或鎢製造，並可以支撐在大致圓柱形的柱942上，該柱942典型地可以是鎳。如視圖(C)和(D)所示的，通過公共襯底946對所有發射器901-912施加相同電壓。絕緣層944支撐包括提取器電極921-932的正側圖案化柵層。絕緣層948覆蓋並填充在提取器921-932之間，從而在相鄰提取器之間以及在提取器與屏蔽層914之間提供電氣絕緣，該屏蔽層914是導電的且在如視圖(A)所見的源正面上連續。屏蔽層914用於在源正面上提供公共電壓以便於在源操作期間在相鄰發射器之間的電子光學隔離。以下將在圖13中討論本發明第五實施例的操作。第六實施例——在正側尋址和軸向氣體饋送口的情況下具有12個氣態場離子化發射器的陣列的離子源
圖IO(A)-(D)是在正側尋址和軸向氣體饋送口的情況下包括12個氣態場離子化(GFI) 發射器的本發明第六實施例的各個視圖。「正側尋址」是指用於對每個發射器1001-1012施加提取電壓(參見以上圖1的討論)的方法——在該尋址方法中，所有發射器1001-1012共享公共導電基底1046，但每個發射器尖端分別具有唯一的提取電極1021-1032。視圖(A)示出了離子源的俯視圖(即，從鏡筒看向該源中的視圖——將從該圖的平面向外發射正離子) 1000，其中發射器1001處於中心，被11個離軸發射器1002-1012圍繞。視圖(B)是「X射線」俯視圖1020，從與視圖(A)中相同的方向穿過源的所有層看去。現在可以看到12個正側尋址連接1021-1032。視圖(C) 1040和(D) 1060分別表示如視圖(B)所示的橫截面K-K 和L-L。可以在導電襯底1046上製造該源，該導電襯底1046可以是塗覆有導電層(諸如鉬或鉻)的絕緣材料(諸如陶瓷或無摻雜半導體晶片)或導電材料(諸如重摻雜半導體晶片)。 襯底1046也包含饋送氣體腔1050，該饋送氣體腔1050通過如橫截面側視圖L-L所示的中心口 1016向每個發射器尖端1001-1012供給用於離子化的氣體。將氣體從饋送系統(未示出)供給至腔1050，該饋送系統調節壓力以防止過多氣流穿過中心口 1016，這可能在發射器尖端1001-1012與提取器1021-1032之間分別誘導真空擊穿和電弧放電。在橫截面側視圖K-K中可以看到中心發射器1001和離軸發射器1004。典型地， 所有12個發射器1001-1012由鉬或鎢製造，並可以支撐在大致圓柱形的空心柱1042上，該空心柱1042典型地可以是鎳。如視圖(C)和(D)所示的，通過公共襯底1046對所有發射器1001-1012施加相同電壓。絕緣層1044支撐包括提取器電極1021-1032的正側圖案化柵層。絕緣層1048覆蓋並填充在提取器1021-1032之間，從而在相鄰提取器之間以及在提取器與屏蔽層1014之間提供電氣絕緣，該屏蔽層1014是導電的且在如視圖(A)所見的源正面上連續。屏蔽層1014用於在源正面上提供公共電壓以便於在源操作期間在相鄰發射器之間的電子光學隔離。以下將在圖13中討論本發明第六實施例的操作。第七實施例——在正側尋址和軸向液態金屬饋送口的情況下具有12個液態金屬離子發射器的陣列的離子源
圖11是在正側尋址和軸向液態金屬饋送口的情況下包括多個液態金屬離子源的本發明第七實施例1100的橫截面側視圖。該第七實施例的總體源結構與圖10中的第六實施例相同，除了現在使用腔1050和饋送口來向每個發射器尖端傳輸用於離子化的液態金屬。典型的液態金屬可以是純金屬(諸如鎵或銦)或者合金(諸如矽-金、鈹-矽-金、鈹-金等)。 對於一些金屬(諸如鎵)，需要少許加熱或不需要加熱以熔化金屬並使得其能夠從腔1150流經口 1116、1151和1154以形成泰勒(Taylor)錐體(諸如1161和1164)。其他金屬將需要一定量的加熱以達到其熔點——典型的最大熔點可以至多為幾百攝氏度。橫截面側視圖 K』-K』與圖10中的橫截面側視圖K-K相對應，其中在口 1116、1151和IlM中添加了腔1150 中的液態金屬並且形成泰勒錐體1161和1164。泰勒錐體1161和1164分別在提取器1121 和IlM上以空心柱1101和1104為中心。典型地，所有12個支撐柱(僅1101和1104在圖 11中示出)可以由鉬或鎢製造。通過公共襯底1146對每個支撐柱施加相同電壓。絕緣層 1144支撐包括提取器電極(諸如1121和1124)的正側圖案化柵層。絕緣層1148覆蓋並填充在提取器之間，從而在相鄰提取器之間以及在提取器與屏蔽層1114之間提供電氣絕緣， 該屏蔽層1114是導電的且在如視圖(A)所見的源正面上連續。屏蔽層1114用於在源正面上提供公共電壓以便於在源操作期間在相鄰發射器之間的電子光學隔離。以下將在圖13 中討論本發明第七實施例的操作。各個實施例的電氣控制電路
圖12是在背側尋址的情況下本發明的帶電粒子源的控制電路的簡化電氣示意圖—— 該電路可適用於圖5-6所示的第一和第二實施例。分別通過3個背側連接1211-1213來向發射器1201-1203傳送電壓，這3個背側連接1211-1213進而通過線1221-1223連接至偏置電源1231-1233。偏置電源1231-1233供給尖端1201-1203相對於公共柵(提取)電極1204 的提取電壓。公共柵電壓電源1234通過線12 連接至公共柵1204。波束加速電壓電源 1246連接在地1248與電源1231-1234的公共參考電壓連接1240之間。為了示意該電路的操作，假定我們想要從發射器1201進行發射，但是我們不想從發射器1202和1203進行發射。第一，將電源1231-1234和1246設置為0 V輸出，作為初始化步驟。假定為誘導帶電粒子發射所需的在任何發射器1201-1203與公共提取器1204之間的電壓差第二， 將波束加速電壓電源1246設置為將與要從尖端1201發射的帶電粒子(電子或離子)的期望能量相對應的電壓供給至公共連接1240。第三，將所有4個電源1231-1234設置為供給等於V 的輸出電壓。此時，3個發射器1201-1203中的任一個與公共柵(提取器)1204之間將不存在電壓差——因此，發射器保持不激活並且不在發射帶電粒子。接著，為了激活發射器1201，將從電源1231輸出的電壓減小至0 V——現在，在發射器1201與公共柵1204之間將存在等於VisI的電壓差，從而誘導從尖端1201的發射，而對於尖端1202-1203，仍將不存在發射，這是由於在尖端1202-1203與公共柵1204之間將不存在電壓差。將遵循類似的規程來激活尖端1202或1203。為了同時激活尖端1201-1203的陣列當中的兩個或更多尖端(參見圖15)，1231-1233當中的對應電源將被設置為0 V輸出。這裡所示的示例示意了對僅3個發射器1201-1203的控制，但是顯然，尖端偏置電壓電源的數目將被設置為等於要控制的源中的發射器的數目，諸如例如對於圖5和7為6而對於圖6和8-11為12。圖13是在正側尋址的情況下本發明的帶電粒子源的控制電路的簡化電氣示意圖——這可適用於圖7-11所示的第三至第七實施例。所有發射器1302-1303通過襯底1360 和連接1340而公共連接至波束加速電壓電源1346。分別通過3個正側連接1321-1323來向提取器1311-1313傳送電壓，這3個正側連接1321-1323進而通過線1321-1323連接至柵電源1331-1333。柵電源1331-1333供給尖端1201-1203相對於公共基電壓的提取電壓。 公共屏蔽電壓電源1334通過線13M連接至公共屏蔽電極1314。波束加速電壓電源1346 連接在地1348與電源1331-1334的公共參考電壓連接1340之間。為了示意該電路的操作，假定我們想要從發射器1301進行發射，但是我們不想從發射器1302和1303進行發射。 第一，將電源1331-1334和1346設置為0 V輸出，作為初始化步驟。假定為誘導帶電粒子發射所需的在任何發射器1301-1303與其相應提取器1311-1313之間的電壓差為Via^第二，將波束加速電壓電源1346設置為將與要從尖端1301發射的帶電粒子(電子或離子)的期望能量相對應的電壓供給至公共連接1340。第三，將公共屏蔽電壓電源1334設置為供給可以典型地等於或大於VisI的屏蔽電壓。此時，3個發射器1301-1303中的任一個與3個提取器1311-1313之間分別將不存在電壓差——因此，發射器保持不激活並且不在發射帶電粒子。接著，為了激活發射器1301，將從電源1331輸出的電壓增加至VisI——現在，在發射器1301與提取器1311之間將存在等於Viax的電壓差，從而誘導從尖端1301的發射， 而對於尖端1302-1303，仍將不存在發射，這是由於在尖端1302-1303與提取器1312-1313 之間分別將不存在電壓差。將遵循類似的規程來激活尖端1302或1303。為了同時激活尖端1301-1303的陣列當中的兩個或更多尖端(參見圖15)，1331-1333當中的對應電源將被同時設置為Via^這裡所示的示例示意了對僅3個發射器1301-1303的控制，但是顯然，柵偏置電壓電源的數目將被設置為等於要控制的源中的發射器的數目，諸如例如對於圖5和 7為6而對於圖6和8-11為12。各個實施例的不同操作模式的角強度和亮度
圖14A是從源1402內的單個帶電粒子發射器1404發射的帶電粒子的側示意圖1400。 典型地，將帶電粒子(如圖5-8中的電子或如圖9-11中的離子)發射至以發射軸1408為中心的具有近似30°廣0. 52弧度)半角1406的錐形立體角1410中。源1402的角強度則為
角強度=(來自發射器I4O4的電流)/ [ π (角HO6)2 ]。亮度為
亮度=(角強度)/ [ ^ (虛擬源的直徑)2 / 4 ]。在圖14A的示例中，對於諸如圖5-8中的冷場發射器的情況，虛擬源的直徑可以非常小，因此即使在其中角強度不必非常大的情況下，操作於單發射器模式(即，僅激活一個發射器)的源1402的亮度可以非常高。因此，單發射器操作可以被稱作「高亮度模式」。
圖14B是圖14A所示的帶電粒子源的特寫示意圖1420，示意了非常小的虛擬源大小，該虛擬源大小對於冷場發射器而言可以向下變化至近似2 nm直徑，而對於液態金屬源而言該虛擬源大小可以處於20 nm直徑的範圍內。圖15A是從源1502內的發射器陣列內的3個帶電粒子發射器1504-1506發射的帶電粒子的側示意圖1500。典型地，將帶電粒子(如圖5-8中的電子或如圖9-11中的離子) 發射至以發射軸1508為中心的具有近似30°廣0. 52弧度)半角1506的錐形立體角1510 中。注意，在比源1502的大小大得多的距離處，所有這些錐形發射模式合併至具有等於每個個體發射器1504-1506的發射電流之和的總電流的帶電粒子的單個錐體中。源1502的角強度則為
角強度=(來自發射器1504-1506的總電流)/ [ π (角1506)2 ]。亮度為
亮度=(角強度(虛擬源1δ14的直徑)2 / 4 ]。在圖15Α的示例中，虛擬源的直徑不再由單個發射器的虛擬源大小確定，而是取決於發射器1504-1506在源1502內的總體分布，如圖15Β所示。圖15Β是圖15Α所示的帶電粒子源的特寫示意圖1520。發射器1504-1506的總體空間分布跨越與發射軸1508垂直的距離1514。因此，對於亮度的計算，虛擬源大小比圖14 中大得多，從而導致該操作模式下的更低亮度。然而，由於總發射電流現在因所激活的發射器的總數(在該示例中為3)而增加，因此角強度增加。因此，多發射器操作可以被稱作「高角強度模式」。本發明的多發射器源的對準過程
圖16是可適用於本發明的多發射器源的對準過程1600的流程圖。如以上圖1中所討論的，該對準過程機械對準中心發射器(諸如圖1中的發射器101)，然後使用對發射器陣列中的所有其他(離軸)發射器(諸如圖1中的發射器102-112)的電氣對準。首先，在框1602 中，將用於控制帶電粒子槍的電子設備設置為以非常低的頻率(諸如0. 1至0.3 Hz)使槍透鏡長度上下搖擺(通過周期性電壓或透鏡電流振蕩)，該頻率足夠慢以使得系統操作者能夠在圖像搖擺(即，在帶電粒子系統的成像屏幕上左右和/或上下移動)時跟隨圖像。接著，在框1604中，僅激活中心發射器(諸如圖1中的101)以沿鏡筒發射帶電粒子，從而在框1606 中形成目標的圖像。一般地，該圖像將初始顯現出一些搖擺，這是由於在不進行一些必要的機械調整的情況下該源極少將碰巧對準。如果在判決框1608中判斷圖像正在搖擺，則路徑 1610前進至框1612，在框1612中使用源機械運動來相對於鏡筒軸重新定位整個發射器陣列。通常，在觀察到的圖像搖擺軸和量值與用於減小該搖擺的正確機械運動之間存在已知的相關性。一旦該源已移動，路徑1614回到框1606，在框1606中執行後續目標成像以觀察任何其餘圖像搖擺。一旦在框1608中判斷圖像不再搖擺，中心發射器就被認為與鏡筒足夠機械對準，並且路徑1616前進至重複框1630內的框1632。針對發射器k=2，3，…，N執行重複框1630內的所有框，其中N是陣列中的發射器的總數。這允許離軸發射器k(k>l)中的每一個與鏡筒電氣對準。注意，這不同於與鏡筒機械對準的中心發射器的情況。由於發射器陣列近似以中心發射器為中心，源陣列的機械對準最小化了離軸發射器的平均未對準，從而減小平均X-Y對準電壓。在框1632中激活發射器k之後，在框1634中形成圖像，這與在框1606中相同。如果判決框1636確定圖像正在搖擺，則路徑1630前進至框1640，在框1640中使用系統化規程來設置X-Y對準偏轉(其可以是針對靜電偏轉器的電壓或針對磁偏轉器的電流)。通常，在觀察到的圖像搖擺軸和量值與用於減小該搖擺的正確電氣X-Y波束偏轉之間存在已知的相關性。一旦在框1640中已針對發射器k改變並保存X-Y對準偏轉，路徑1642就回到框1634，在框1634中執行後續目標成像以觀察任何其餘圖像搖擺。一旦在框1636中判斷圖像不再搖擺，發射器k就被認為與鏡筒足夠電氣對準。如果k<N，則k以1遞增，並且對框1630進行重複。如果k=N，則路徑1644前進至框1650，表明源內的所有發射器(諸如圖1中的發射器101-112)準備好進行操作。儘管發射器被描述為可電氣尋址，但是也可以機械移動發射器以將其與鏡筒軸對準。儘管詳細描述了本發明的實施例及其優勢，但是應當理解，在不脫離由所附權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下可以對這裡描述的實施例進行各種改變、替代和更改。電網的電壓源可以來自單個電源並使用分壓器，分離的電源可以用於每個電網，或者可以使用電壓驅動器和電源的某種組合。儘管這些示例提供了電場以更改次級離子的軌跡，但是可以使用磁場，然而必須考慮磁場對初級波束的影響。此外，本申請的範圍不旨在限於說明書中描述的過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法和步驟的具體實施例。如本領域普通技術人員從本發明的公開中容易認識到的，根據本發明可以利用與這裡描述的對應實施例執行實質上相同的功能或實現實質上相同的結果的、當前存在或以後待開發的過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法或步驟。據此，所附權利要求旨在在其範圍內包括這些過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法或步驟。
權利要求
1.一種帶電粒子系統，包括鏡筒，用於將帶電粒子束聚焦到目標的表面上；帶電粒子源，包括多個帶電粒子發射器，每個被配置為發射與鏡筒的軸大體平行的帶電粒子；多個電連接，被配置為一個連接面向所述多個帶電粒子發射器中的每個發射器或一組小於所有發射器；以及發射器控制電路，用於控制所述多個帶電粒子發射器。
2.根據權利要求1所述的帶電粒子系統，其中所述發射器控制電路能夠使小於所有發射器同時發射。
3.根據上述權利要求中任一項所述的帶電粒子系統，其中所述發射器控制電路能夠使多個發射器同時發射，所述多個發射器產生由所述鏡筒聚焦的帶電粒子。
4.根據上述權利要求中任一項所述的帶電粒子系統，其中所述多個帶電粒子發射器形成單個帶電粒子束。
5.根據上述權利要求中任一項所述的帶電粒子系統，其中所述發射器控制電路能夠使所述帶電粒子系統操作於其中單個發射器發射帶電粒子的模式或者其中多個發射器同時發射帶電粒子的模式。
6.根據上述權利要求中任一項所述的帶電粒子系統，其中發射器中的至少兩個能夠被獨立尋址以發射帶電粒子或不發射帶電粒子，從而允許發射器同時或順序地發射。
7.根據上述權利要求中任一項所述的帶電粒子系統，其中所述帶電粒子是電子或離子。
8.根據上述權利要求中任一項所述的帶電粒子系統，其中發射器是冷場電子發射器、 氣態場離子化離子發射器或液態金屬離子發射器。
9.根據上述權利要求中任一項所述的帶電粒子系統，其中帶電粒子鏡筒包括對準偏轉器，將所述多個帶電粒子發射器與所述鏡筒的光軸對準。
10.根據上述權利要求中任一項所述的帶電粒子系統，其中所述多個帶電粒子發射器內的每個發射器包括發射器尖端和提取電極。
11.根據權利要求10所述的帶電粒子系統，其中所述發射器控制電路被配置為對每個發射器尖端施加分離電壓，或者所述發射器控制電路被配置為對每個提取電極施加分離電壓。
12.—種操作帶電粒子束系統的方法，包括提供多個帶電粒子發射器；提供具有光軸的聚焦鏡筒，所述聚焦鏡筒能夠將來自多個發射器的帶電粒子聚焦到樣本表面上；以及使帶電粒子順序地從所述多個帶電粒子發射器發射並由所述聚焦鏡筒聚焦。
13.根據權利要求12所述的方法，還包括通過使用對準偏轉器，將所述多個帶電粒子發射器與所述聚焦鏡筒的光軸對準。
14.一種操作帶電粒子束系統的方法，包括提供多個帶電粒子發射器；提供具有光軸的聚焦鏡筒，所述聚焦鏡筒能夠將來自多個發射器的帶電粒子聚焦到樣本表面上；以及使帶電粒子同時從所述多個帶電粒子發射器發射並由所述聚焦鏡筒聚焦，來自多個發射器的所述帶電粒子被組合以形成單個帶電粒子束。
全文摘要
本發明涉及具有多個可選擇粒子發射器的帶電粒子源。公開了用於聚集粒子束系統的帶電粒子源，所述聚集粒子束系統諸如透射電子顯微鏡(TEM)、掃描透射電子顯微鏡(STEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)或聚焦離子束(FIB)系統。該源採用可以以帶電粒子系統的軸為中心的小區域內的多個可獨立尋址發射器。可以單獨控制所有發射器以同時實現從一個或多個尖端的發射。僅激活一個發射器的模式與高亮度相對應，而同時激活多個發射器的模式提供了具有較低亮度的高角強度。可以通過順序地使用單個發射器來延長源壽命。描述了所有發射器的組合的機械和電氣對準規程。
文檔編號H01J37/04GK102568989SQ201110454979
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月30日 優先權日2010年12月31日
發明者N.W.帕克 申請人:Fei公司