粒子束发生器制造技术

电子源是真空中的纳米尖端，如近场显微镜方法中所使用的。离子源是相似的真空中的纳米尖端，其提供有如液体金属离子源中的液体金属（镓）。通过使尖端位于孔隙极板的中心并且向尖端施加适当的电压，从该纳米尺寸的尖端提取电子或者离子。该电子（离子）通过该极板，并且在使用另外的微米级（或者纳米级）圆柱形透镜聚焦之前，使用纳米级／微米级加速镜筒将该电子（离子）加速至数ＫｅＶ。最终的元件是像差校正的微型（或者次微型）单透镜，其可以将粒子束聚焦在距离设备末端几毫米的位置处。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及(真空中的)聚焦的粒子束的产生，并且更具体地，涉及电子束和离子束，其用于例如诸如扫描电子显微镜(SEM)的显微镜方法和纳米技术，该纳米技术用于诸如例如利用在聚焦离子束(FIB)的情况中的诸如离子束研磨(溅射)的直接写入技术和诸如用于电子束的聚合或氧化的表面修形方法的纳米结构和纳米结构表面制造过程中的纳米光刻技术中。用于显微镜方法和光刻技术中的已知的粒子束发生器通常包括可操作用于提供照射的粒子源。这通常是锐利的尖端，通过施加相对强的电场，即场发射源，诸如电子或者离子的粒子从该尖端提取出来。可替换地，加热的丝状体(钨丝)也可以用作源。然而，场发射源有利地应用于需要相对高的空间分辨率的应用。源通常还包括电压驱动粒子加速器，用以将粒子束的能量增加到所需的水平。控制可以包括例如磁透镜的聚焦系统，用以将加速粒子聚焦在交叉点，从而在材料表面上形成射束点。在显微镜方法的情况中，材料可以是待测样本。对于诸如对于SEM的显微镜方法，使用线圈组以协助射束在样本上进行扫描。样本安装在置于物镜视场下的镜台上。物镜的规格和属性以及物镜和样本之间的距离，即操作距离，决定了显微镜的分辨率限制。可操作用于检测二次电子和反向散射电子的检测系统通常置于物镜下。已知的近场显微镜设备的缺点在于，检测系统的位置决定了显微镜的操作距离，并且因而妨碍了有利的短操作距离的利用，由此限制了显微镜可获得的最优分辨率。最终射束点的尺寸和该聚焦点中的射束电流量确定了这些设备的性能。对于显微镜方法，射束点尺寸是设备的有效空间分辨率，而对于纳米光刻技术，其确定了可以进行的最小尺寸特征。现有技术的商业粒子束发生器的初速电流状态是1nm(对于电子)和30nm(对于金属离子束)。在显微镜方法和纳米光刻技术中，所需的是，存在这样的粒子束发生器，即其可操作用于提供具有高于当前可获得的分辨率的最优分辨率的粒子束。更具体地，所需的是，存在适用于显微镜方法中和纳米光刻中的纳米级样本分析的粒子束发生器。该分辨率将在显著的景深中提供原子识别，并且在纳米级尺度下提供表面分析。而且，如已知设备中所需要的相对长的操作距离也是一个缺点，即其需要使用相对高的粒子加速电压以获得该距离下的最优分辨率。然而，较高的粒子加速电压增加了粒子束的能量，其在上阈值处可能引起材料结构中所不需要的非弹性散射的增加，由此引起了对正在检验的材料的辐射伤害。在显微镜方法中，具有相对高分辨率的相对低能量束提供了减少与已知装置相关的材料电子的非弹性散射的可能性，致使达到能够分析复杂分子结构的程度。因此，在显微镜方法和纳米光刻技术中，所需的是，存在这样的粒子束发生器，即其可操作用于提供包括使用低于当前可利用电压的电压进行加速的粒子的束。尽管作为上述显微镜方法的示例在上文中特别提及了SEM，但是读者应当认识到，还存在其他的所谓近场显微镜设备，诸如例如扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)。因此，所需的是，存在适用于用在纳米级尺度应用的可操作用于提供射束的粒子束发生器，包括使用相对低的电压进行加速的粒子，其适于同已知的近场显微镜设备结合使用。而且，该近场显微镜和光刻设备是昂贵的，并且所需的是在不替换整个的设备的情况下增加分辨率、和景深、和/或减小加速电压。已知的显微镜设备和光刻设备还存在缺点，这是因为它们易受到可以影响它们操作的振动的伤害，并且因此，所需的是，存在较不易受振动伤害的显微镜设备和光刻设备。本专利技术提供了一种适用于纳米技术的粒子束发生器，包括具有提取器孔隙的提取器极板，其置于与粒子源相邻，并且操作用于将粒子从该源提取至提取器孔隙中以形成粒子束；粒子加速装置，其可操作用于加速所提取的粒子以增加射束的能量；和校准装置，其可操作用于校准粒子束，其特征在于，提取器孔隙和加速装置中的至少一个抑制粒子束的横向扩展，用以提供具有小于100nm直径的近似平行的粒子束。该粒子束发生器可以进一步包括聚焦装置，其可操作用于通过横向抑制的粒子束提供具有小于1nm直径的聚焦粒子束。本专利技术利用电场中的粒子轨迹的尺度不变性。射束点的绝对尺寸可以涉及设备的有源元件的整体尺寸(特别是聚焦透镜的焦距)。这些元件(依照从源到最终的射束点的顺序)是粒子源和加速装置，其可以独立地或者组合地用于抑制粒子束的横向扩展。该粒子束发生器可以是次微型的，并且可以包括抑制射束扩展的微米机械的聚焦和加速装置。所以，分辨率可以保持在远小于较大设备。因此，在100nm级进行的设计可能具有至少基本大于具有毫米最大尺寸的微米机械的100倍的射束点尺寸。尽管较大的设备将允许使用较高的电压，并且因此将粒子束加速到可以导致较小射束点尺寸的较高的能量，但是即使考虑到了这一因素，次微型设计的射束点尺寸仍可以至少基本10倍小于基本相同的较大的设备。提取器孔隙的直径可以基本上在5nm和500nm之间。更优选地，提取器孔隙的直径可以基本上在5nm和100nm之间。粒子加速装置可以包括多个加速器极板，其布置成叠层并且相互是电绝缘的。每个加速器极板包括孔隙，其适于与提取器孔隙共用纵轴，由此形成延伸的加速孔隙。当在提取器极板和第一加速极板之间以及在之后排成列的连续相邻的加速极板的每一对之间施加电压时，所提取的粒子可以通过加速孔隙进行加速，并且由此增加了其作为组成部分的射束的能量。可替换地，提取器极板可以是第一导体，其通过至少一个电阻性和绝缘材料与第二导体隔开，并且加速装置可以包括加速孔隙，其从提取器孔隙延伸通过该材料并通过第二导体，其中当在第一和第二导体之间施加差分电压时，所提取的粒子通过加速孔隙进行加速。优选地，该材料的电阻基本上在1kΩ和无穷大之间。该材料优选地是半导体材料，并且有利地掺杂了硅。加速孔隙的直径有利地基本在10nm和1000μm之间。校准装置可以与加速孔隙整体形成，并且有利地包括形成于其壁中的圆锥体。该圆锥体形状是使得其直径在加速射束的方向上增加。*可替换地，或者另外地，校准装置可以包括至少一个校准孔隙，其具有相对于加速孔隙的较小的直径并且可以安置在该加速孔隙的纵轴上。该粒子束发生器有利地包括与之集成的粒子源，其优选地是场发射源。该粒子束发生器可以适于同电子粒子源一起使用，或者可替换地，可以适于同离子粒子源一起使用。该粒子束发生器可以形成近场显微镜的一部分，并且可以安装在微芯片上。通过参考附图，借助于示例，现将详细描述本专利技术，在附图中附图说明图1是根据本专利技术的第一实施例的粒子束发生器的截面A-A的示意图；图2是适于同图1的粒子束发生器一同使用的第一级聚焦装置的示例的示意图；图3是适于同图1的粒子束发生器和图2的第一级聚焦装置一同使用的第二级聚焦装置的示例的示意图；图4分别是图1的粒子束发生器以及图2和3的第一和第二级聚焦装置的示意图；图5是根据本专利技术的第二实施例的粒子束发生器的示意图；图6是根据本专利技术的第三实施例的粒子束发生器的示意图；图7是根据本专利技术的第四实施例的粒子束发生器的截面的示意图，同时还示出了校准装置；图8是包括根据本专利技术的粒子束发生器的显微镜元件的截面的示意图；图9是另外的校准装置的示意图。参考图1，粒子束发生器10包括具有提取器孔隙13的提取器极板12，其使用压电控制系统(未示出)定位，使得其位于相对于粒子源14的中心位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于纳米技术的粒子束发生器，包括：具有提取器孔隙的提取器极板，其置于与粒子源相邻，并且操作用于将粒子从该源提取至提取器孔隙中以形成粒子束；粒子加速装置，其操作用于加速所提取的粒子以增加射束的能量；和校准装置，其操作用于校准粒子束，其特征在于，提取器孔隙和加速装置中的至少一个抑制粒子束的横向扩展，用以提供具有小于１００ｎｍ直径的近似平行的粒子束。

【技术特征摘要】
GB 2002-6-15 0213772.7;GB 2002-8-24 0219818.2;GB 21.一种适用于纳米技术的粒子束发生器，包括具有提取器孔隙的提取器极板，其置于与粒子源相邻，并且操作用于将粒子从该源提取至提取器孔隙中以形成粒子束；粒子加速装置，其操作用于加速所提取的粒子以增加射束的能量；和校准装置，其操作用于校准粒子束，其特征在于，提取器孔隙和加速装置中的至少一个抑制粒子束的横向扩展，用以提供具有小于100nm直径的近似平行的粒子束。2.权利要求1的粒子束发生器，进一步包括聚焦装置，其操作用于通过横向抑制的粒子束提供具有小于1nm直径的聚焦粒子束。3.权利要求1或2的粒子束发生器，其中提取孔隙的直径基本上在5nm和500nm之间。4.权利要求3的粒子束发生器，其中提取孔隙的直径基本上在5nm和100nm之间。5.前面任何一项权利要求的粒子束发生器，其中粒子加速装置包括多个加速器极板，其布置成叠层并且相互是电绝缘的，每个加速器极板包括孔隙，其布置成与提取器孔隙共用纵轴，用以形成延伸的加速孔隙，当在提取器极板和第一加速极板之间以及在之后排成列的连续相邻的加速极板的每一对之间施加电压时，所提取的粒子沿该加速孔隙进...

【专利技术属性】
技术研发人员：德里克安托尼伊斯特汉，
申请(专利权)人：NFAB有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]