專利名稱：粒子束發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及(真空中的)聚焦的粒子束的產(chǎn)生，并且更具體地，涉及電子束和離子束，其用于例如諸如掃描電子顯微鏡(SEM)的顯微鏡方法和納米技術(shù)，該納米技術(shù)用于諸如例如利用在聚焦離子束(FIB)的情況中的諸如離子束研磨(濺射)的直接寫入技術(shù)和諸如用于電子束的聚合或氧化的表面修形方法的納米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)表面制造過(guò)程中的納米光刻技術(shù)中。
用于顯微鏡方法和光刻技術(shù)中的已知的粒子束發(fā)生器通常包括可操作用于提供照射的粒子源。這通常是銳利的尖端，通過(guò)施加相對(duì)強(qiáng)的電場(chǎng)，即場(chǎng)發(fā)射源，諸如電子或者離子的粒子從該尖端提取出來(lái)?？商鎿Q地，加熱的絲狀體(鎢絲)也可以用作源。然而，場(chǎng)發(fā)射源有利地應(yīng)用于需要相對(duì)高的空間分辨率的應(yīng)用。源通常還包括電壓驅(qū)動(dòng)粒子加速器，用以將粒子束的能量增加到所需的水平?？刂瓶梢园ɡ绱磐哥R的聚焦系統(tǒng)，用以將加速粒子聚焦在交叉點(diǎn)，從而在材料表面上形成射束點(diǎn)。在顯微鏡方法的情況中，材料可以是待測(cè)樣本。
對(duì)于諸如對(duì)于SEM的顯微鏡方法，使用線圈組以協(xié)助射束在樣本上進(jìn)行掃描。樣本安裝在置于物鏡視場(chǎng)下的鏡臺(tái)上。物鏡的規(guī)格和屬性以及物鏡和樣本之間的距離，即操作距離，決定了顯微鏡的分辨率限制?？刹僮饔糜跈z測(cè)二次電子和反向散射電子的檢測(cè)系統(tǒng)通常置于物鏡下。已知的近場(chǎng)顯微鏡設(shè)備的缺點(diǎn)在于，檢測(cè)系統(tǒng)的位置決定了顯微鏡的操作距離，并且因而妨礙了有利的短操作距離的利用，由此限制了顯微鏡可獲得的最優(yōu)分辨率。
最終射束點(diǎn)的尺寸和該聚焦點(diǎn)中的射束電流量確定了這些設(shè)備的性能。對(duì)于顯微鏡方法，射束點(diǎn)尺寸是設(shè)備的有效空間分辨率，而對(duì)于納米光刻技術(shù)，其確定了可以進(jìn)行的最小尺寸特征?，F(xiàn)有技術(shù)的商業(yè)粒子束發(fā)生器的初速電流狀態(tài)是1nm(對(duì)于電子)和30nm(對(duì)于金屬離子束)。
在顯微鏡方法和納米光刻技術(shù)中，所需的是，存在這樣的粒子束發(fā)生器，即其可操作用于提供具有高于當(dāng)前可獲得的分辨率的最優(yōu)分辨率的粒子束。更具體地，所需的是，存在適用于顯微鏡方法中和納米光刻中的納米級(jí)樣本分析的粒子束發(fā)生器。該分辨率將在顯著的景深中提供原子識(shí)別，并且在納米級(jí)尺度下提供表面分析。
而且，如已知設(shè)備中所需要的相對(duì)長(zhǎng)的操作距離也是一個(gè)缺點(diǎn)，即其需要使用相對(duì)高的粒子加速電壓以獲得該距離下的最優(yōu)分辨率。然而，較高的粒子加速電壓增加了粒子束的能量，其在上閾值處可能引起材料結(jié)構(gòu)中所不需要的非彈性散射的增加，由此引起了對(duì)正在檢驗(yàn)的材料的輻射傷害。在顯微鏡方法中，具有相對(duì)高分辨率的相對(duì)低能量束提供了減少與已知裝置相關(guān)的材料電子的非彈性散射的可能性，致使達(dá)到能夠分析復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)的程度。
因此，在顯微鏡方法和納米光刻技術(shù)中，所需的是，存在這樣的粒子束發(fā)生器，即其可操作用于提供包括使用低于當(dāng)前可利用電壓的電壓進(jìn)行加速的粒子的束。
盡管作為上述顯微鏡方法的示例在上文中特別提及了SEM，但是讀者應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，還存在其他的所謂近場(chǎng)顯微鏡設(shè)備，諸如例如掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)。
因此，所需的是，存在適用于用在納米級(jí)尺度應(yīng)用的可操作用于提供射束的粒子束發(fā)生器，包括使用相對(duì)低的電壓進(jìn)行加速的粒子，其適于同已知的近場(chǎng)顯微鏡設(shè)備結(jié)合使用。
而且，該近場(chǎng)顯微鏡和光刻設(shè)備是昂貴的，并且所需的是在不替換整個(gè)的設(shè)備的情況下增加分辨率、和景深、和/或減小加速電壓。
已知的顯微鏡設(shè)備和光刻設(shè)備還存在缺點(diǎn)，這是因?yàn)樗鼈円资艿娇梢杂绊懰鼈儾僮鞯恼駝?dòng)的傷害，并且因此，所需的是，存在較不易受振動(dòng)傷害的顯微鏡設(shè)備和光刻設(shè)備。
本發(fā)明提供了一種適用于納米技術(shù)的粒子束發(fā)生器，包括具有提取器孔隙的提取器極板，其置于與粒子源相鄰，并且操作用于將粒子從該源提取至提取器孔隙中以形成粒子束；粒子加速裝置，其可操作用于加速所提取的粒子以增加射束的能量；和校準(zhǔn)裝置，其可操作用于校準(zhǔn)粒子束，其特征在于，提取器孔隙和加速裝置中的至少一個(gè)抑制粒子束的橫向擴(kuò)展，用以提供具有小于100nm直徑的近似平行的粒子束。
該粒子束發(fā)生器可以進(jìn)一步包括聚焦裝置，其可操作用于通過(guò)橫向抑制的粒子束提供具有小于1nm直徑的聚焦粒子束。
本發(fā)明利用電場(chǎng)中的粒子軌跡的尺度不變性。射束點(diǎn)的絕對(duì)尺寸可以涉及設(shè)備的有源元件的整體尺寸(特別是聚焦透鏡的焦距)。這些元件(依照從源到最終的射束點(diǎn)的順序)是粒子源和加速裝置，其可以獨(dú)立地或者組合地用于抑制粒子束的橫向擴(kuò)展。該粒子束發(fā)生器可以是次微型的，并且可以包括抑制射束擴(kuò)展的微米機(jī)械的聚焦和加速裝置。所以，分辨率可以保持在遠(yuǎn)小于較大設(shè)備。因此，在100nm級(jí)進(jìn)行的設(shè)計(jì)可能具有至少基本大于具有毫米最大尺寸的微米機(jī)械的100倍的射束點(diǎn)尺寸。盡管較大的設(shè)備將允許使用較高的電壓，并且因此將粒子束加速到可以導(dǎo)致較小射束點(diǎn)尺寸的較高的能量，但是即使考慮到了這一因素，次微型設(shè)計(jì)的射束點(diǎn)尺寸仍可以至少基本10倍小于基本相同的較大的設(shè)備。
提取器孔隙的直徑可以基本上在5nm和500nm之間。更優(yōu)選地，提取器孔隙的直徑可以基本上在5nm和100nm之間。
粒子加速裝置可以包括多個(gè)加速器極板，其布置成疊層并且相互是電絕緣的。每個(gè)加速器極板包括孔隙，其適于與提取器孔隙共用縱軸，由此形成延伸的加速孔隙。當(dāng)在提取器極板和第一加速極板之間以及在之后排成列的連續(xù)相鄰的加速極板的每一對(duì)之間施加電壓時(shí)，所提取的粒子可以通過(guò)加速孔隙進(jìn)行加速，并且由此增加了其作為組成部分的射束的能量。
可替換地，提取器極板可以是第一導(dǎo)體，其通過(guò)至少一個(gè)電阻性和絕緣材料與第二導(dǎo)體隔開(kāi)，并且加速裝置可以包括加速孔隙，其從提取器孔隙延伸通過(guò)該材料并通過(guò)第二導(dǎo)體，其中當(dāng)在第一和第二導(dǎo)體之間施加差分電壓時(shí)，所提取的粒子通過(guò)加速孔隙進(jìn)行加速。優(yōu)選地，該材料的電阻基本上在1kΩ和無(wú)窮大之間。該材料優(yōu)選地是半導(dǎo)體材料，并且有利地?fù)诫s了硅。
加速孔隙的直徑有利地基本在10nm和1000μm之間。校準(zhǔn)裝置可以與加速孔隙整體形成，并且有利地包括形成于其壁中的圓錐體。該圓錐體形狀是使得其直徑在加速射束的方向上增加。*可替換地，或者另外地，校準(zhǔn)裝置可以包括至少一個(gè)校準(zhǔn)孔隙，其具有相對(duì)于加速孔隙的較小的直徑并且可以安置在該加速孔隙的縱軸上。
該粒子束發(fā)生器有利地包括與之集成的粒子源，其優(yōu)選地是場(chǎng)發(fā)射源。
該粒子束發(fā)生器可以適于同電子粒子源一起使用，或者可替換地，可以適于同離子粒子源一起使用。
該粒子束發(fā)生器可以形成近場(chǎng)顯微鏡的一部分，并且可以安裝在微芯片上。
通過(guò)參考附圖，借助于示例，現(xiàn)將詳細(xì)描述本發(fā)明，在附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的粒子束發(fā)生器的截面A-A的示意圖；圖2是適于同圖1的粒子束發(fā)生器一同使用的第一級(jí)聚焦裝置的示例的示意圖；圖3是適于同圖1的粒子束發(fā)生器和圖2的第一級(jí)聚焦裝置一同使用的第二級(jí)聚焦裝置的示例的示意圖；圖4分別是圖1的粒子束發(fā)生器以及圖2和3的第一和第二級(jí)聚焦裝置的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的粒子束發(fā)生器的示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的粒子束發(fā)生器的示意圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的粒子束發(fā)生器的截面的示意圖，同時(shí)還示出了校準(zhǔn)裝置；圖8是包括根據(jù)本發(fā)明的粒子束發(fā)生器的顯微鏡元件的截面的示意圖；圖9是另外的校準(zhǔn)裝置的示意圖。
參考圖1，粒子束發(fā)生器10包括具有提取器孔隙13的提取器極板12，其使用壓電控制系統(tǒng)(未示出)定位，使得其位于相對(duì)于粒子源14的中心位置。該粒子源是近場(chǎng)納米尖端源。該納米尖端是具有約8nm半徑的標(biāo)準(zhǔn)SEM尖端。點(diǎn)線的圓環(huán)表示提取器極板在橫向上可以比標(biāo)示出來(lái)的大很多。加速器鏡筒16包括由堆疊形成鏡筒的一系列加速極板18，每個(gè)極板具有孔隙，該孔被調(diào)整成使得當(dāng)堆疊這些極板時(shí)，它們彼此共用共同的縱軸，并且與提取器孔隙13共用共同的縱軸，用以形成延伸的加速孔隙20。每個(gè)極板18是彼此電絕緣的，并且可提供有其自身的電壓。對(duì)于加速電子或者負(fù)離子的情況，在右側(cè)示出了極板18上的電壓和納米尖端14上的電壓。對(duì)于該情況，V總是負(fù)的，并且來(lái)自該鏡筒的電子的最終能量是VT電子伏特(eV)。ΔV是該鏡筒中每個(gè)極板之間的電壓差并且VO是尖端和提取器極板之間的電壓差。(最大的負(fù)電壓在尖端上，并且電壓沿該鏡筒向下移動(dòng)而增加直到最終極板上的零電壓)。粒子束發(fā)生器10可以適于與近場(chǎng)顯微鏡裝置一同使用，并且可被設(shè)計(jì)用于操作在300～1000eV的能量范圍中。調(diào)節(jié)電極的電壓和間隔，使得納米尖端發(fā)射電子，并且加速孔隙中的場(chǎng)是所需用于產(chǎn)生稍微會(huì)聚的射束場(chǎng)。電子軌跡示意性地有點(diǎn)線/虛線22表示，其中電子從圖中的頂部行進(jìn)至基部。這些軌跡表示由包絡(luò)線所限定的整個(gè)粒子束分布，其包含從尖端發(fā)射并且通過(guò)加速器鏡筒的電子中的大部分。
參考圖2，示出的第一級(jí)聚焦裝置24包括第一微米級(jí)透鏡系統(tǒng)。安置該微米級(jí)透鏡系統(tǒng)以收集和聚焦來(lái)自加速器孔隙22的粒子束。圖2示出了在射束分布26上的聚焦作用。該透鏡是像差校正圓柱形單透鏡，其包括三個(gè)圓柱形元件28、30和32。外面的兩個(gè)元件28和32處于地電位，而中間的元件提供有足夠使電子聚焦在所需位置的電壓。(可以施加任何極性的電壓，但是當(dāng)用于聚焦電子時(shí)，對(duì)于正電壓而言像差是最小的，而當(dāng)用于聚焦正電荷離子時(shí)，負(fù)電壓的像差是最小的)。該特定的微米級(jí)透鏡的近似比例顯示在圖的頂端。作為示例，在圖中粒子束聚焦在樣本夾具34a處，其可以橫向移動(dòng)以掃描樣本，并且可以沿射束軸的方向移動(dòng)以調(diào)節(jié)焦點(diǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)圖1和2的截面上的標(biāo)有x、y、l和t的相關(guān)尺寸來(lái)校正該透鏡中的像差。
參考圖3，示出的第二級(jí)聚焦裝置36包括微型單透鏡，其包括三個(gè)圓柱形元件38、40和42。其與前文所述的透鏡基本相同，除了其較之大一千倍，并且將射束26聚焦在距離安置了樣本夾具34b的設(shè)備末端若干毫米遠(yuǎn)的點(diǎn)上。如前文所述，通過(guò)使用壓電控制系統(tǒng)橫向移動(dòng)樣本來(lái)實(shí)現(xiàn)掃描。而且?jiàn)A具34b還可以沿軸移動(dòng)用以將樣本安置在正確的焦點(diǎn)處。由于焦距是數(shù)毫米，因此在目標(biāo)上方的空間中放入電子檢測(cè)器44是可能的。這用于檢測(cè)和測(cè)量反向散射電子，由此可以獲得掃描圖像。最重要的是，對(duì)該透鏡進(jìn)行盡可能的像差校正。除了尺寸a、b、l和t的相關(guān)調(diào)節(jié)，還可以最優(yōu)化地成形由點(diǎn)線/虛線示出的內(nèi)表面46的曲率。
在使用中，提取器極板置于與粒子源接近的地方，并且在極板和源之間施加了電壓，使得通過(guò)場(chǎng)發(fā)射過(guò)程使電子直接從尖端發(fā)射。如果如同聚焦離子束源的情況向尖端提供液體金屬，則相似的過(guò)程還可產(chǎn)生離子束。這些電子/離子束的亮度是極其高的，并且它們因此可以聚焦在小的點(diǎn)上。為了使用該射束并且抑制其橫向擴(kuò)展，使用了具有納米級(jí)提取器孔隙的提取器極板，其后是在面對(duì)該尖端的極板側(cè)面上的高電場(chǎng)區(qū)域。這樣，電子/離子可以成功地從納米尖端源中提取出來(lái)并通過(guò)提取器孔隙，通過(guò)使用壓電平移器件移動(dòng)提取器極板，如通常在近場(chǎng)光譜法中所使用的，該提取器孔隙可以與位于納米尖端源上的中心。使提取器極板相對(duì)側(cè)上的電場(chǎng)與面對(duì)加速電子/離子的納米尖端源的側(cè)上的電場(chǎng)相似，并且在同一時(shí)刻產(chǎn)生微弱的聚焦作用。通過(guò)該孔隙的粒子束的尺寸基本上由孔隙的尺寸確定，并且計(jì)算顯示，如果孔隙的尺寸約為30nm，則大部分發(fā)射自納米尖端源的電子或者離子可以形成于該粒子束中。
該源的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)上使用的源的不同之處在于，該源使用了優(yōu)選地位于與尖端相距小于數(shù)百納米的位置的納米級(jí)孔隙。這樣電子可以通過(guò)微小的孔隙提取，并且可以因此隨后限制在與后面透鏡軸相接近的小的尺寸中。而且其還意味著，需要更小的電壓用以從尖端產(chǎn)生場(chǎng)發(fā)射。通過(guò)使用具有從提取器孔隙延伸的加速孔隙的納米級(jí)/微米級(jí)加速鏡筒，可在提取器極板兩側(cè)之一上產(chǎn)生近似相等的電場(chǎng)，使得提取器極板能夠用作弱透鏡。這是除了其(加速孔隙)加速電子/離子的功能以外的功能。這樣不允許射束在其通過(guò)設(shè)備的前進(jìn)過(guò)程中明顯地?cái)U(kuò)展，由于該射束的小尺寸，使得限制了透鏡像差的不需要的影響，并且允許使用具有1～1000μm范圍的孔隙的圓柱形聚焦透鏡(既是靜電的也是磁的)，其非常有利于從整體上減小設(shè)備的尺寸。
這允許使用具有微米級(jí)(次微型的)和毫米焦距的聚焦透鏡。由于這些焦距比傳統(tǒng)的電子顯微鏡小很多，因此可以將粒子束聚焦在更小的尺寸中，同時(shí)進(jìn)行較少的透鏡像差校正。
這些微型的和次微型的設(shè)計(jì)是作為孤立的設(shè)備而操作的，用于上達(dá)數(shù)Kev的最大值的電子/離子能量，但是它們也可以用作操作于上達(dá)并超過(guò)100keV的較大傳統(tǒng)高能量電子/離子束系統(tǒng)的第一級(jí)。
來(lái)自源加速器鏡筒的射束隨后通過(guò)微米級(jí)圓柱形單透鏡，該圓柱形單透鏡位于使得來(lái)自加速器鏡筒末端的射束在其到達(dá)該透鏡之前不會(huì)明顯擴(kuò)展的距離。然后，可以使用該透鏡將射束聚焦在距離最終透鏡元件數(shù)微米距離處的一納米以下的直徑。為了獲得最小的焦點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)元件的幾何特征來(lái)對(duì)其進(jìn)行像差校正，如下文所述。
盡管可以將此聚焦的射束點(diǎn)直接用于SEM或者FIB技術(shù)，但是如果隨后使該射束通過(guò)具有幾百到數(shù)千微米的典型孔直徑微型的或者次微型的單透鏡，則這一點(diǎn)束是更加實(shí)用的。該透鏡被安置在離開(kāi)第一微米透鏡的最優(yōu)化的距離處，使得可以在距離透鏡的最終透鏡元件末端數(shù)毫米的距離處獲得最小的射束點(diǎn)。該配置是非常實(shí)用的，并且允許插入SEM通常所需要的電子檢測(cè)器。
盡管通過(guò)該最終透鏡的射束尺寸可以小于幾微米，但是仍然需要對(duì)像差進(jìn)行校正(主要是球面像差)以獲得最佳的性能。這是通過(guò)改變其幾何特征來(lái)完成的，如下文所述。如果該透鏡進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男Ｕ瑒t可以獲得明顯小于1nm的聚焦的射束點(diǎn)的尺寸。
對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，可以使用其他的同樣適用于本發(fā)明工作的第一和第二級(jí)聚焦裝置。
參考圖4，示出了完整的系統(tǒng)，其包括兩個(gè)4元件的圓柱形單透鏡、一個(gè)是微米級(jí)的，標(biāo)為B，另一個(gè)是微型的，標(biāo)為C。這些透鏡位于標(biāo)為A的電子/離子源的下游。通過(guò)對(duì)其幾何特征進(jìn)行眾多的變化，可以使它們具有非常低的像差。這與相機(jī)和光學(xué)設(shè)備中的多元件光學(xué)透鏡有些相似。這些射束元件的最終設(shè)計(jì)取決于電子/射束進(jìn)入透鏡時(shí)的電子/射束能量、散度和尺寸?？梢愿淖兊膮?shù)是1)元件的數(shù)量2)每個(gè)電極的厚度3)電極之間的距離4)每個(gè)電極中的孔隙尺寸5)如前文應(yīng)用中所示的透鏡上的邊緣的形狀6)施加給每個(gè)電極的電壓通過(guò)適當(dāng)?shù)馗淖冞@些參數(shù)，我們幾乎能夠完全地從我們的系統(tǒng)中除去球面像差。
圖4示出了4元件透鏡的幾何尺寸，其具有標(biāo)為48、50、52和54的電極，這些電極分別具有電壓V1、V2、V3和V4。射束及其方向標(biāo)為56。第一分析位置58位于離開(kāi)微米級(jí)透鏡末端距離為焦距f1的位置。通過(guò)使用如掃描隧道顯微鏡常常使用的壓電元件移動(dòng)樣本，實(shí)現(xiàn)了射束的掃描?？梢砸迫ピ摌颖疚恢茫⑶沂股涫ㄟ^(guò)第二微型透鏡，以便于到達(dá)距離第二透鏡末端距離為f2的焦點(diǎn)。在該點(diǎn)處存在壓電驅(qū)動(dòng)樣本夾具60。盡管所示的該第二微型透鏡具有與第一透鏡相同的幾何特征，但是這對(duì)于其他情況不是必需的。確切的幾何特征(孔隙尺寸等)將再次取決于射束通過(guò)該透鏡時(shí)的特征。典型的孔隙尺寸是約5μm(對(duì)于微米級(jí)透鏡)和5mm(對(duì)于微型透鏡)，但是這些可以在寬的范圍中變化。
在圖5中示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中粒子束發(fā)生器是微芯片100，其包括一個(gè)或者多個(gè)產(chǎn)生窄的(＜50nm)軸上射束的納米鏡筒162。納米尖端114位于該微米結(jié)構(gòu)的末端，其連結(jié)到垂直懸臂(未示出)上并在中心安置，并且離開(kāi)納米鏡筒162的第一孔隙13的距離大于10nm。納米鏡筒162可以是所示的一個(gè)或者多個(gè)部分，并且限定了具有小于50nm橫向尺寸的軸向射束。在圖5b中示出了典型的納米鏡筒162，并且其由薄的多層膜制成，該多層膜包括交替的金屬(導(dǎo)電)層118，中間間隔有絕緣層119，其中通過(guò)光刻技術(shù)或者使用聚焦離子束(FIB)“研磨機(jī)”使孔隙13穿過(guò)該納米鏡筒162。該納米鏡筒的總長(zhǎng)度可以上達(dá)2μm，并且足夠用于準(zhǔn)確地確定(軸上)方向和射束發(fā)射度的相空間。如所示出的，納米尖端114位于該孔隙上面，并且在尖端114和納米鏡筒電極162之間施加有電壓差。由納米鏡筒限定的射束具有軸164，其與多元件的微米級(jí)單透鏡是同心的。該透鏡包括金屬(導(dǎo)電)電極166，其中間間隔有絕緣體168。所示的組件包括四個(gè)中間間隔有絕緣體的金屬電極并且位于距離納米鏡筒僅有幾個(gè)微米的位置，其被作為微米透鏡的具有相同尺寸的孔隙的絕緣膜與該納米鏡筒隔開(kāi)。在前文的應(yīng)用中給出了關(guān)于該透鏡的適當(dāng)?shù)目紫吨睆健Ｔ黾盈B層中金屬導(dǎo)電電極的數(shù)目可以減小該透鏡中的像差。
圖6示出了一種方法，用于構(gòu)造顯微鏡使得微米透鏡可以將射束聚焦在離開(kāi)設(shè)備末端小于50μm距離的點(diǎn)處。如果該射束具有小于1nm并且接近1的橫向尺寸時(shí)，該條件是必需的。(該射束點(diǎn)基本上確定了設(shè)備的分辨率)。在圖6b的近場(chǎng)顯微鏡方法中示出了本發(fā)明的該實(shí)施例的應(yīng)用，并且其包括剛性連結(jié)于近場(chǎng)顯微鏡的水平懸臂170的“芯片”或者體100，其可以使用標(biāo)準(zhǔn)的納米定位技術(shù)進(jìn)行定位。在此之上的垂直懸臂固定了納米尖端114，并且其可以垂直移動(dòng)并在水平面上進(jìn)行掃描。樣本安裝在特殊的固定器172上，該固定器172具有用于連結(jié)樣本的小的表面面積。(該原子分辨率配置僅可用于小面積的樣本；對(duì)于較大的面積，增大微米透鏡的焦距，并且分辨率下降至約1nm)。顯微鏡主體下方的另外的垂直懸臂174固定了樣本固定器，并且提供將樣本定位在正確的垂直距離處定位以及在水平面中進(jìn)行掃描的手段。
在圖6a中示出了體或芯片100的細(xì)節(jié)。通過(guò)光刻技術(shù)或利用激光射束進(jìn)行微米機(jī)器加工在該芯片的一個(gè)邊緣產(chǎn)生了一系列臺(tái)階?；康呐_(tái)階僅有幾個(gè)μm厚并且寬于約20μm。在該臺(tái)階176上形成了多層組件178，其基本上是如圖6a所示的粒子束發(fā)生器的主體。該多個(gè)層是通過(guò)兩個(gè)階段中的原子淀積生長(zhǎng)的。首先產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于靜電透鏡的層，并且通過(guò)光刻技術(shù)在位于對(duì)應(yīng)于圖中由字母A標(biāo)出的臺(tái)階邊緣附近的層中制造對(duì)應(yīng)于透鏡孔的孔113。(可以在一個(gè)光刻制程中產(chǎn)生多個(gè)孔，并且每個(gè)都可以是分立的顯微鏡)。頂層由1納米厚的金膜或者碳膜覆蓋，并且隨后(通過(guò)原子淀積)生長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于納米鏡筒層的連續(xù)的多個(gè)層。該層是使用水平掩膜產(chǎn)生的，其允許每個(gè)分立的層終止于沿臺(tái)階的不同位置。這提供了將電氣接觸連結(jié)到顯微鏡中的電極的基本方法，如曝光區(qū)域180所示。最后，使用聚焦離子束，在帶有靜電透鏡的軸上鉆該通過(guò)頂部多個(gè)層的納米鏡筒孔。(這還可以通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的電子束光刻技術(shù)和干蝕刻技術(shù)完成)。
在操作中，納米尖端114位于孔隙的中心，并且調(diào)節(jié)透鏡上的電壓以通過(guò)軸164將射束聚焦到焦點(diǎn)182處的樣本上。設(shè)置支撐臺(tái)階176的厚度和焦距，使得存在足夠大的間隙，用以通過(guò)通道倍增器184記錄反向散射電子。
兩個(gè)另外的調(diào)整可用于允許顯微鏡包含于單個(gè)的芯片中。首先可以在芯片的體中制造納米尖端和顯微鏡懸臂。(這可能是水平懸臂)。其次可以將探測(cè)器制造在該芯片的基部。為了該目的，最好是使用用于電子的半導(dǎo)電雪崩型檢測(cè)器。甚至可以考慮在該芯片的基部并入用于掃描樣本的機(jī)構(gòu)，用以在芯片上制造最終的SEM。
在使用中，典型的尺寸和電壓與上文所述的關(guān)于本發(fā)明的前面的實(shí)施例的尺寸和電壓相同。對(duì)納米尖端114來(lái)說(shuō)一種合適的配置是使用如掃描隧道顯微鏡(STM)中所使用的垂直懸臂配置進(jìn)行定位。然而，近來(lái)光刻的發(fā)展使得可以將該懸臂并入到顯微鏡本身中。納米鏡筒包括具有導(dǎo)電(金屬或者硅)薄膜的多個(gè)層，其由絕緣層隔開(kāi)，穿過(guò)該層制造了具有所需納米級(jí)(典型地小于50nm)的圓孔。這是通過(guò)光刻技術(shù)或者通過(guò)使用聚焦離子束的鉆孔方法來(lái)完成的。微米級(jí)的多元件單透鏡位于納米鏡筒下面并且與之同心。這可以作為分立的部分而制成，并且可以使用標(biāo)準(zhǔn)的微米定位系統(tǒng)使之獨(dú)立地相對(duì)于納米鏡筒進(jìn)行定位。在較簡(jiǎn)單的形式中，微米透鏡被制成與納米鏡筒相同的多層結(jié)構(gòu)，并且其整體形成了顯微鏡的基本元件。透鏡的制造可以通過(guò)多種技術(shù)來(lái)完成，其包括光刻和激光束機(jī)器加工。
顯微鏡主體固定在垂直臂(懸臂)上，其可以定位成垂直和橫向。通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)使納米探針位于納米鏡筒孔隙的中心上，該伺服機(jī)構(gòu)使用扇形金屬薄膜中的電流，而該扇形金屬薄膜形成了納米鏡筒中的第一電極。在顯微鏡主體下是位于垂直懸臂末端上的樣本鏡臺(tái)。電子束聚焦在該樣本上，并且通過(guò)使用如STM中使用的標(biāo)準(zhǔn)納米定位技術(shù)(例如使用壓電機(jī)構(gòu))移動(dòng)懸臂的末端，可以使電子束沿樣本移動(dòng)。如果使用電子檢測(cè)器(通道倍增器)檢測(cè)到反向散射電子，則可以制成原表面子結(jié)構(gòu)的圖像。在最終的設(shè)計(jì)中，電子檢測(cè)器可以并入到顯微鏡芯片的基部。
使用前面的描述，通過(guò)使液體鎵流入納米尖端并且翻轉(zhuǎn)電壓的極性，可以調(diào)整適用于機(jī)器加工低于10nm的表面結(jié)構(gòu)的聚焦離子束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在該配置中，其幾何形狀是倒轉(zhuǎn)的，使得納米尖端位于納米鏡筒下面。(這是用于防止液體鎵污染顯微鏡)。
在圖7和8中示出了本發(fā)明的另外的實(shí)施例，其中粒子束發(fā)生器200包括一對(duì)薄膜金屬層212和213，其由半導(dǎo)體材料284隔開(kāi)。每個(gè)金屬層包括校準(zhǔn)孔隙286和288(納米校準(zhǔn)器)。粒子束發(fā)生器200還包括加速孔隙220，其延伸通過(guò)半導(dǎo)體層材料，并且與校準(zhǔn)孔隙286和288共有一個(gè)縱軸。加速孔隙220的直徑大于校準(zhǔn)孔隙286和288每一個(gè)的直徑。典型地，加速孔隙的直徑可以是約50nm，而納米校準(zhǔn)器孔隙是約30nm。如果有足夠的電壓差存在于尖端和校準(zhǔn)孔隙286之間，則粒子將從納米尖端214發(fā)射。如果跨接在該半導(dǎo)體的電壓差足夠高，則這些粒子將被加速并且被聚焦在幾乎平行的射束中。(在圖7a和7b中箭頭290示出了電子束的方向)。典型地，對(duì)于0.5μm的硅薄晶片或者膜，跨接在該半導(dǎo)體的電壓可以是約300伏特，并且這將沿孔產(chǎn)生600MV/m的均勻場(chǎng)。如果納米鏡筒以圖7b所示的兩級(jí)形式制造，則較長(zhǎng)的納米鏡筒是可能的。這里，有兩個(gè)被導(dǎo)電膜213隔開(kāi)的層。底部層285是導(dǎo)電的，并且可以由金屬制造或者優(yōu)選地由具有非常低電阻率的摻雜硅制造。如果兩個(gè)金屬薄膜213和214處于地電位，則整個(gè)底部鏡筒285也處于地電位。納米孔隙286執(zhí)行與圖7a中所示器件相同的功能，但是可以距離納米尖端幾微米的孔隙288能夠減小散射，同時(shí)進(jìn)一步降低(相空間)電子束發(fā)射度。此下面的鏡筒285中的孔與上面加速部分的孔在同一時(shí)間制造。其唯一的功能是支撐納米孔隙288與半導(dǎo)體中的孔同心。限制于孔隙尺寸288的直徑的窄的電子束隨后到達(dá)顯微鏡的靜電聚焦元件，如圖8所示。
在圖8中示出了用作顯微鏡的完整的粒子束發(fā)生器系統(tǒng)，其中納米鏡筒290中有孔，并且納米尖端214是電子源。如所示出的，窄的電子束222通過(guò)納米鏡筒286/288并且通過(guò)同心的單透鏡。該透鏡是簡(jiǎn)單的三元件配置，其由分別是導(dǎo)電層和絕緣層的292和294制成，穿過(guò)其中制造了孔隙。包含5個(gè)或者更多的電極的多元件透鏡還可以用于減小前面關(guān)于其他實(shí)施例而提及的像差。選擇電極的內(nèi)徑(透鏡的孔隙)和間距以給出最小的像差并且因而給出最小的射束點(diǎn)。該透鏡的內(nèi)徑的典型尺寸是約2μm，并且每個(gè)層是約1μm厚。如果單透鏡由具有三個(gè)分立層的單個(gè)薄晶片制成，則其制造過(guò)程可以簡(jiǎn)化。使用具有不同摻雜濃度的硅可以制造導(dǎo)電層292和絕緣層294。對(duì)于簡(jiǎn)單的3元件透鏡，外部的兩個(gè)導(dǎo)電電極處于地電位，而中間的一個(gè)處于正確的電位，用以在距離組件296末端的所需距離處給出焦點(diǎn)。該完整的組件形成了顯微鏡主體，并且當(dāng)其是在階梯狀組件的邊緣制造時(shí)，如前文在另一實(shí)施例中提及的，射束發(fā)生器基本上是遠(yuǎn)離納米尖端的單個(gè)芯片。然而，該納米尖端位于懸臂的末端，使得可以將其定位在納米鏡筒入口孔隙的中心，并且因此可以整體到納米芯片中以獲得完整的聚焦電子(離子)束機(jī)械，稱為“片上顯微鏡”。應(yīng)當(dāng)注意，制成顯微鏡主體的電阻性膜可以在其中具有很多孔，使得通過(guò)將納米探針移動(dòng)到任何入口孔隙，可以進(jìn)入其中。
在前面的實(shí)施例中，加速納米鏡筒由具有交替的金屬(導(dǎo)電)和絕緣層的多層結(jié)構(gòu)構(gòu)建而成，其中穿過(guò)該結(jié)構(gòu)制造了具有小于100nm直徑的孔，并且其是電子通過(guò)的通道。通過(guò)對(duì)該組件中的導(dǎo)電電極施加電壓，可以產(chǎn)生沿該鏡筒中真空孔隙的高電場(chǎng)。本實(shí)施例是產(chǎn)生納米鏡筒或者加速器的較簡(jiǎn)單的方法，其對(duì)前面的組件具有相同的作用。而且，此新器件便于制造，并且可以適用于在該鏡筒兩端包括限制(抗散射)校準(zhǔn)器的場(chǎng)合。該方法是使用微米制造技術(shù)從單個(gè)高電阻率材料片(穿過(guò)該材料片制造了孔)制造加速器。盡管不是唯一可能的，但理想的材料是單晶摻雜硅，如微芯片制造中所使用的。摻雜通常是n型的(盡管p型也是可以的)，并且摻雜密度應(yīng)是使電阻率在1kΩm-cm～100MΩm-cm的范圍中，但這不是唯一的。所施加的跨接在該材料的薄膜的電壓將確保沿任何通過(guò)該電阻性材料的直孔均存在均勻的電場(chǎng)。該孔被制造為垂直于薄晶片或者薄膜的平行側(cè)，該薄晶片或者薄膜是加速器的主體，并且可被寬泛地稱為納米鏡筒，符合前面關(guān)于由具有交替的絕緣薄膜和導(dǎo)電薄膜的多層構(gòu)建的鏡筒的術(shù)語(yǔ)。(使用了納米鏡筒是因?yàn)橥ㄟ^(guò)該膜的孔隙處于納米尺度范圍中)。在該情況中，電場(chǎng)是沿(真空)孔方向的，并且因而其可以對(duì)注入到該孔中的電子進(jìn)行加速。如果尖端上的電壓超過(guò)表面電壓約10伏特，則可被定位在具有典型的50nm孔隙的孔上方約30nm距離處的納米尖端將場(chǎng)發(fā)射電子。半導(dǎo)體的兩個(gè)表面覆蓋有薄的金屬膜，穿過(guò)該金屬膜制造了與半導(dǎo)體中的孔同心的孔。金屬膜中孔的直徑小于半導(dǎo)體中孔的直徑，使得這些孔隙用作抗散射校準(zhǔn)器，并且還可以用于減少電子束發(fā)射度。
處于聚焦電子中的這些納米鏡筒和射束器件的操作如下。向最接近納米探針的金屬層施加負(fù)電壓，并且向納米尖端施加較大的負(fù)電壓。在另一半導(dǎo)體表面上的金屬層處于地電位。通過(guò)正確地選擇這些電壓，從尖端發(fā)射的電子可被聚焦并且被加速到達(dá)在納米鏡筒的孔?？梢援a(chǎn)生具有小于50nm直徑的幾乎平行的電子束。
為了獲得最佳的性能，校準(zhǔn)器孔隙的直徑需要小于100nm，并且硅的厚度大于0.5μm。如果該配置有效，則重要的是，器件包括校準(zhǔn)器以減小由(納米級(jí)孔的)壁引起的散射并且還減小射束的總發(fā)射度。后者是非常重要的，這是因?yàn)樯涫目偘l(fā)射度與最終的射束點(diǎn)尺寸成比例。因此通過(guò)使用仔細(xì)挑選的校準(zhǔn)器所引起的發(fā)射度的大的降低可以導(dǎo)致最終射束點(diǎn)尺寸的明顯減少。兩種方法可用于制造納米級(jí)的校準(zhǔn)器。在第一種方法中，納米級(jí)的鏡筒在其中具有圓錐形的孔，且較小直徑的孔位于最接近納米尖端電子源。在該方法中，可以極大地消除由孔的內(nèi)壁引起的電子束的散射。圓錐的形狀可以由這樣的形式替換，其中在需要校準(zhǔn)的位置更加突然地減小孔的孔隙。這些校準(zhǔn)器在需要時(shí)可以形成在管的兩個(gè)末端。在另一種方案中，在孔的一個(gè)末端或兩個(gè)末端處離子蝕刻薄的金屬覆蓋層，用以產(chǎn)生校準(zhǔn)器。這可以通過(guò)干蝕刻技術(shù)完成，或者可以通過(guò)使用聚焦離子束(FIB)研磨機(jī)來(lái)完成。
在圖9中示出了一般的配置，其中電子源是位于器件第一納米級(jí)部分入口處的納米尖端314，其中標(biāo)出了射束方向390。圖9a示出了具有微米厚度的材料部分301，穿過(guò)該材料通過(guò)干蝕刻技術(shù)制造了50nm(典型尺寸)的圓孔。如果仔細(xì)控制蝕刻可以使該孔的壁平行。整個(gè)的顯微鏡鏡筒或組件可以由加速部分和非加速部分構(gòu)成，如前面實(shí)施例中所描述的。制造這些孔隙286和288的一種方法如下。在產(chǎn)生孔的過(guò)程中，在表面上產(chǎn)生配準(zhǔn)特征398以繪出孔隙的位置。然后在該表面上通過(guò)真空淀積技術(shù)(從源進(jìn)行原子淀積)涂敷納米厚度的金層，并且2～3nm(典型的)厚的金箔312和313安置在該第一層頂部上的孔隙上。(如果這是在潔凈條件下完成的，則金箔將接合至硅上的真空淀積的金層)。然后可以在該金屬箔上通過(guò)射束鉆孔或者干蝕刻產(chǎn)生孔隙286和288。(為了使之可能，重要的是在粘附金層之后，配準(zhǔn)部分是保持可見(jiàn)的)。圖9b示出了特別是在加速部分入口處產(chǎn)生孔隙的可替換的方法。在該方法中，該孔錐形式變細(xì)成為所示的圓錐形。通過(guò)仔細(xì)地控制干蝕刻工藝，可以產(chǎn)生該錐形式變細(xì)的形狀。然后，通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的真空淀積方法在表面上淀積金屬，制成頂部導(dǎo)電層399。通過(guò)前面的方法制造的另外的孔隙可以安置在該組件下面，如中間的圖所示。然而，同樣可以的是，通過(guò)將在其中具有錐形式變細(xì)的孔的第二晶片安置在中間圖中所示的晶片的下面，在該位置處產(chǎn)生校準(zhǔn)器。于是這取代了由薄膜金屬(金)制成的孔隙。其可以制造在分立的薄(硅)晶片中，該晶片被定位為使得該孔是同心的或者使得在一個(gè)區(qū)域上制造整個(gè)組件。這樣，系統(tǒng)現(xiàn)在有效地包括兩個(gè)具有圓錐形孔的晶片，其中該兩個(gè)晶片都涂敷在它們具有金屬膜的平坦側(cè)上。同樣可以的是，通過(guò)晶片的本征材料制造校準(zhǔn)器而不必采用錐形式變細(xì)的形式，如圖9c所示?？梢栽谝粋€(gè)或多個(gè)組件(晶片)的一個(gè)末端或者兩個(gè)末端制造校準(zhǔn)器?？梢远询B這些校準(zhǔn)器以使散射最小化和/或減少射束的相空間發(fā)射度。
權(quán)利要求
1.一種適用于納米技術(shù)的粒子束發(fā)生器，包括具有提取器孔隙的提取器極板，其置于與粒子源相鄰，并且操作用于將粒子從該源提取至提取器孔隙中以形成粒子束；粒子加速裝置，其操作用于加速所提取的粒子以增加射束的能量；和校準(zhǔn)裝置，其操作用于校準(zhǔn)粒子束，其特征在于，提取器孔隙和加速裝置中的至少一個(gè)抑制粒子束的橫向擴(kuò)展，用以提供具有小于100nm直徑的近似平行的粒子束。
2.權(quán)利要求1的粒子束發(fā)生器，進(jìn)一步包括聚焦裝置，其操作用于通過(guò)橫向抑制的粒子束提供具有小于1nm直徑的聚焦粒子束。
3.權(quán)利要求1或2的粒子束發(fā)生器，其中提取孔隙的直徑基本上在5nm和500nm之間。
4.權(quán)利要求3的粒子束發(fā)生器，其中提取孔隙的直徑基本上在5nm和100nm之間。
5.前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求的粒子束發(fā)生器，其中粒子加速裝置包括多個(gè)加速器極板，其布置成疊層并且相互是電絕緣的，每個(gè)加速器極板包括孔隙，其布置成與提取器孔隙共用縱軸，用以形成延伸的加速孔隙，當(dāng)在提取器極板和第一加速極板之間以及在之后排成列的連續(xù)相鄰的加速極板的每一對(duì)之間施加電壓時(shí)，所提取的粒子沿該加速孔隙進(jìn)行加速。
6.權(quán)利要求1～4的粒子束發(fā)生器，其中提取極板是第一導(dǎo)體，其通過(guò)至少一個(gè)電阻性和絕緣材料與第二導(dǎo)體隔開(kāi)，并且加速裝置包括加速孔隙，其從提取器孔隙延伸通過(guò)該電阻性和絕緣材料并通過(guò)第二導(dǎo)體，其中當(dāng)在第一和第二導(dǎo)體之間施加差分電壓時(shí)，所提取的粒子進(jìn)行加速。
7.權(quán)利要求6的粒子束發(fā)生器，其中至少一個(gè)電阻性和絕緣材料的電阻基本上在1kΩ-cm和無(wú)窮大之間。
8.權(quán)利要求5～7的粒子束發(fā)生器，其中加速孔隙的直徑基本在10nm和1000μm之間。
9.前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求的粒子束發(fā)生器，其中校準(zhǔn)裝置與加速裝置整體形成。
10.權(quán)利要求9的粒子束發(fā)生器，其中校準(zhǔn)裝置包括整體形成于加速裝置壁中的圓錐體，該圓錐體具有在加速射束方向上增加的直徑。
11.權(quán)利要求9和10的粒子束發(fā)生器，其中校準(zhǔn)裝置包括至少一個(gè)校準(zhǔn)孔隙，其具有相對(duì)于加速孔隙的較小的直徑并且安置在該加速孔隙的縱軸上。
12.前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求的粒子束發(fā)生器，包括與之集成的粒子源。
13.權(quán)利要求12的粒子束發(fā)生器，其中該粒子源是場(chǎng)發(fā)射源。
14.前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求的粒子束發(fā)生器，適于同電子粒子源一起使用。
15.權(quán)利要求1～13的粒子束發(fā)生器，適于同離子粒子源一起使用。
16.一種近場(chǎng)顯微鏡，包括前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求的粒子束發(fā)生器。
17.一種微芯片，包括權(quán)利要求1～15的粒子束發(fā)生器。
全文摘要
電子源是真空中的納米尖端，如近場(chǎng)顯微鏡方法中所使用的。離子源是相似的真空中的納米尖端，其提供有如液體金屬離子源中的液體金屬(鎵)。通過(guò)使尖端位于孔隙極板的中心并且向尖端施加適當(dāng)?shù)碾妷?，從該納米尺寸的尖端提取電子或者離子。該電子(離子)通過(guò)該極板，并且在使用另外的微米級(jí)(或者納米級(jí))圓柱形透鏡聚焦之前，使用納米級(jí)/微米級(jí)加速鏡筒將該電子(離子)加速至數(shù)KeV。最終的元件是像差校正的微型(或者次微型)單透鏡，其可以將粒子束聚焦在距離設(shè)備末端幾毫米的位置處。
文檔編號(hào)H01J37/26GK1663013SQ03813914
公開(kāi)日2005年8月31日 申請(qǐng)日期2003年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月15日
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