DE102024119459B3 - Beam generating device for a multi-particle beam system and multi-particle beam system - Google Patents
Beam generating device for a multi-particle beam system and multi-particle beam systemInfo
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Abstract
Strahlerzeugungsvorrichtung für ein Vielzahl-Teilchenstrahlsystem, insbesondere für ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop, das mit einer Vielzahl von geladenen Einzel-Teilchenstrahlen arbeitet, wobei die Strahlerzeugungsvorrichtung Folgendes aufweist: einen Teilchenemitter mit einer Kathodenspitze zum Emittieren geladener Teilchen, insbesondere mittels thermischer Feldemission, die einen geladenen Teilchenstrahl bilden; eine Extraktorelektrode, die von der Kathodenspitze beabstandet ist und die die geladenen Teilchen mittels einer zwischen der Kathodenspitze und der Extraktorelektrode im Betrieb anliegenden Extraktionsspannung aus der Kathodenspitze extrahiert; und eine Anodenelektrode, die von der Kathodenspitze weiter beabstandet ist als die Extraktorelektrode und die die extrahierten geladenen Teilchen mittels einer zwischen der Kathodenspitze und der Anodenelektrode im Betrieb anliegenden Beschleunigungsspannung weiter beschleunigt, wobei die Extraktorelektrode eine Form aufweist, die eine Kugelkalotte umfasst oder aus einer Kugelkalotte besteht. Beam generating device for a multi-particle beam system, in particular for a multi-beam particle microscope operating with a multiplicity of charged single-particle beams, wherein the beam generating device comprises: a particle emitter with a cathode tip for emitting charged particles, in particular by means of thermal field emission, which form a charged particle beam; an extractor electrode spaced apart from the cathode tip, which extracts the charged particles from the cathode tip by means of an extraction voltage applied between the cathode tip and the extractor electrode during operation; and an anode electrode spaced further apart from the cathode tip than the extractor electrode, which further accelerates the extracted charged particles by means of an accelerating voltage applied between the cathode tip and the anode electrode during operation, wherein the extractor electrode has a shape comprising or consisting of a spherical cap.
Description
Gebiet der ErfindungField of invention
Die Erfindung betrifft Teilchenstrahlsysteme, welche mit einer Vielzahl von Teilchenstrahlen arbeiten.The invention relates to particle beam systems which operate with a multitude of particle beams.
Stand der TechnikState of the art
Mit der kontinuierlichen Entwicklung immer kleinerer und komplexerer Mikrostrukturen wie Halbleiterbauelementen besteht ein Bedarf an der Weiterentwicklung und Optimierung von planaren Herstellungstechniken und von Inspektionssystemen zur Herstellung und Inspektion kleiner Abmessungen der Mikrostrukturen. Die Entwicklung und Herstellung der Halbleiterbauelemente erfordert beispielsweise eine Überprüfung des Designs von Testwafern, und die planaren Herstellungstechniken benötigen eine Prozessoptimierung für eine zuverlässige Herstellung mit hohem Durchsatz. Darüber hinaus wird neuerdings eine Analyse von Halbleiterwafern für das Reverse Engineering und eine kundenspezifische, individuelle Konfiguration von Halbleiterbauelementen gefordert. Es besteht deshalb ein Bedarf an Inspektionsmitteln, die mit hohem Durchsatz zur Untersuchung der Mikrostrukturen auf Wafern mit hoher Genauigkeit eingesetzt werden können.With the continuous development of increasingly smaller and more complex microstructures, such as semiconductor devices, there is a need for the further development and optimization of planar fabrication techniques and inspection systems for the production and inspection of these small microstructures. The development and fabrication of semiconductor devices, for example, requires verification of test wafer designs, and planar fabrication techniques necessitate process optimization for reliable, high-throughput manufacturing. Furthermore, the analysis of semiconductor wafers for reverse engineering and the customized configuration of semiconductor devices is increasingly required. Therefore, there is a need for inspection tools that can be used with high throughput to examine microstructures on wafers with high accuracy.
Typische Siliziumwafer, die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet werden, haben Durchmesser von bis zu 300 mm. Jeder Wafer ist in 30 bis 60 sich wiederholende Bereiche („Dies“) mit einer Größe von bis zu 800 mm2 unterteilt. Eine Halbleitervorrichtung umfasst mehrere Halbleiterstrukturen, die durch planare Integrationstechniken in Schichten auf einer Oberfläche des Wafers hergestellt sind. Aufgrund der Herstellungsprozesse weisen Halbleiterwafer typischerweise eine ebene Oberfläche auf. Die Strukturgröße der integrierten Halbleiterstrukturen erstreckt sich dabei von wenigen µm bis zu den kritischen Abmessungen (engl. „critical dimensions“, CD) von einigen Nanometern, wobei in naher Zukunft die Strukturgrößen sogar noch kleiner werden; es wird erwartet, dass die Strukturgrößen oder kritischen Abmessungen (CD) in Zukunft den 3 nm, 2 nm oder noch kleineren Technologieknoten des internationalen Technologiefahrplans für Halbleiter (engl. „International Technology Roadmap for Semiconductors“ - (ITRS)) entsprechen werden. Bei den oben genannten kleinen Strukturgrößen müssen Defekte in der Größe der kritischen Abmessungen in kurzer Zeit auf einer sehr großen Fläche identifiziert werden. Für mehrere Anwendungen ist die Spezifikationsanforderung für die Genauigkeit einer von einem Inspektionsgerät bereitgestellten Messung sogar noch höher, beispielsweise um den Faktor zwei oder eine Größenordnung. Beispielsweise muss eine Breite eines Halbleitermerkmals mit einer Genauigkeit unter 1 nm, beispielsweise 0,3 nm oder sogar weniger, gemessen werden, und eine relative Position von Halbleiterstrukturen muss mit einer Überlagerungsgenauigkeit von unter 1 nm, beispielsweise 0,3 nm oder sogar weniger, bestimmt werden.Typical silicon wafers used in the fabrication of semiconductor devices have diameters of up to 300 mm. Each wafer is divided into 30 to 60 repeating regions (“dies”) with a size of up to 800 mm² . A semiconductor device comprises multiple semiconductor structures fabricated in layers on the wafer's surface using planar integration techniques. Due to the fabrication processes, semiconductor wafers typically have a flat surface. The feature size of the integrated semiconductor structures ranges from a few micrometers to critical dimensions (CDs) of a few nanometers, with feature sizes expected to become even smaller in the near future; it is anticipated that future feature sizes, or critical dimensions (CDs), will correspond to the 3 nm, 2 nm, or even smaller technology nodes of the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). For the aforementioned small feature sizes, defects of critical dimensions must be identified quickly over a very large area. For several applications, the specification requirement for the accuracy of a measurement provided by an inspection instrument is even higher, for example, by a factor of two or an order of magnitude. For instance, the width of a semiconductor feature must be measured with sub-1 nm accuracy, such as 0.3 nm or even less, and the relative position of semiconductor structures must be determined with a sub-1 nm superposition accuracy, such as 0.3 nm or even less.
Eine neuere Entwicklung auf dem Gebiet der geladenen Teilchensysteme (engl. „charged particle microscopes“, CPM) ist das mSEM, ein Mehrstrahl-Rasterelektronenmikroskop. Ein Mehrstrahl-Rasterelektronenmikroskop ist beispielsweise in
Das Mehrstrahl-Elektronenmikroskop des Standes der Technik umfasst eine Folge von elektrostatischen und magnetischen Elementen. Zumindest einige der elektrostatischen und magnetischen Elemente sind einstellbar, um die Fokusposition und die Stigmation der Vielzahl von geladenen Einzel-Teilchenstrahlen anzupassen. Das Mehrstrahl-System mit geladenen Teilchen des Standes der Technik umfasst zudem mindestens eine Überkreuzungsebene der primären oder der sekundären geladenen Einzel-Teilchenstrahlen. Des Weiteren umfasst das System des Standes der Technik Detektionssysteme, um die Einstellung zu erleichtern. Das Mehrstrahl-Teilchenmikroskop des Standes der Technik umfasst mindestens einen Strahlablenker (engl. „deflection scanner“) zum kollektiven Abtasten eines Bereiches der Probenoberfläche mittels der Vielzahl von primären Einzel-Teilchenstrahlen, um ein Bildfeld der Probenoberfläche zu erhalten.The state-of-the-art multi-beam electron microscope comprises a series of electrostatic and magnetic elements. At least some of the electrostatic and magnetic elements The elements are adjustable to adapt the focus position and stigmatization of the multiple charged single-particle beams. The prior art multi-beam charged particle system also includes at least one intersection plane of the primary or secondary charged single-particle beams. Furthermore, the prior art system includes detection systems to facilitate adjustment. The prior art multi-beam particle microscope includes at least one deflection scanner for collectively scanning an area of the sample surface using the multiple primary single-particle beams to obtain an image field of the sample surface.
Zum Separieren des teilchenoptischen Strahlenganges der Primärstrahlen vom teilchenoptischen Strahlengang der Sekundärstrahlen wird eine sogenannte Strahlweiche (engl. „beam splitter“ oder „beam separator“ oder „beam divider“) verwendet. Dabei erfolgt eine Separation mittels spezieller Anordnungen von Magnetfeldern und / oder elektrostatischen Feldern, beispielsweise mittels eines Wien-Filters.To separate the particle-optical beam path of the primary beams from the particle-optical beam path of the secondary beams, a so-called beam splitter (also called a beam separator or beam divider) is used. This separation is achieved by means of special arrangements of magnetic fields and/or electrostatic fields, for example, using a Wien filter.
Bei Vielzahl-Teilchenstrahlsystemen wird grundsätzlich unterschieden nach Systemen, die mit einer Einzelsäule arbeiten, und Systemen, die mit mehreren Säulen arbeiten. Bei Systemen mit einer Einzelsäule erfolgt der Durchgang der Einzel-Teilchenstrahlen zumindest teilweise durch dieselbe Teilchenoptik bzw. durch eine oder mehrere globale Teilchenlinsen. Zudem liegen bei einer Einzelsäule die Einzel-Teilchenstrahlen verhältnismäßig nah beieinander. Trotz der teilweise globalen teilchenoptischen Elemente besteht auch bei Einzelsäulen das Bedürfnis nach einer individuellen Beeinflussbarkeit und/ oder Formbarkeit der Einzel-Teilchenstrahlen, um Abbildungsfehler wie Bildfeldkrümmung, Feldastigmatismus und andere Aberrationen zu korrigieren. Für diese individuelle Beeinflussung und/ oder Formung der Einzel-Teilchenstrahlen kann eine sog. Mikrooptik eingesetzt werden. Die Mikrooptik dient oft auch als Multistrahl-Generator zur Erzeugung und Formung einer Vielzahl von Einzel-Teilchenstrahlen. Der Multistrahl-Generator bzw. die Mikrooptik umfasst dabei eine Abfolge von mehreren Multiaperturplatten, um zum einen eine Vielzahl von Einzel-Teilchenstrahlen zu erzeugen und um zum anderen diese auch zu formen, so dass sie für die nachfolgende teilchenoptische Abbildung die benötigten Eigenschaften besitzen. Bei der Erzeugung der Vielzahl von Einzel-Teilchenstrahlen trifft normalerweise ein aufgeweiteter Einzel-Teilchenstrahl nach dem Durchsetzen eines Kondensorlinsensystems auf eine erste Multiaperturplatte oder Filterplatte und durchsetzt deren Öffnungen, so dass nach dem Durchsetzten der Öffnungen anstelle des Einzel-Teilchenstrahls eine Vielzahl von Einzel-Teilchenstrahlen vorliegt. Bei einer anschließenden Strahlformung mittels einer oder weiterer Multiaperturplatten werden Elektroden eingesetzt, die beispielsweise im Bereich der Aperturen einer Multiaperturplatte vorgesehen sind und die kollektiv oder individuell ansteuerbar sind.Multi-particle beam systems are generally divided into single-column and multi-column systems. In single-column systems, the individual particle beams pass at least partially through the same particle optics or through one or more global particle lenses. Furthermore, in a single-column system, the individual particle beams are relatively close together. Despite the partially global particle optics, even single-column systems require individual control and/or shaping of the individual particle beams to correct imaging errors such as field curvature, field astigmatism, and other aberrations. A so-called micro-optics unit can be used for this individual control and/or shaping of the individual particle beams. The micro-optics unit often also serves as a multi-beam generator for the production and shaping of a large number of individual particle beams. The multi-beam generator, or micro-optics, comprises a sequence of several multi-aperture plates to generate a multitude of single-particle beams and to shape them so that they possess the necessary properties for subsequent particle-optical imaging. In generating the multitude of single-particle beams, a widened single-particle beam typically strikes a first multi-aperture plate or filter plate after passing through a condenser lens system and passes through its apertures, resulting in a multitude of single-particle beams instead of a single beam. Subsequent beam shaping using one or more multi-aperture plates employs electrodes, which are positioned, for example, in the aperture area of a multi-aperture plate and can be controlled collectively or individually.
Bei dem beschriebenen Vielzahl-Teilchenstrahlsystem ist eine hohe Auflösung und ein hoher Durchsatz für eine zufriedenstellende und erfolgreiche Verwendung in der Praxis von hoher Relevanz. In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, unter anderem die Intensität der Teilchenstrahlen einzustellen. Der Strahlstrom der Einzel-Teilchenstrahlen eines Vielzahl-Teilchenstrahlsystems muss für alle Einzel-Teilchenstrahlen möglichst uniform sein und Aberrationen müssen für alle Einzel-Teilchenstrahlen möglichst vermieden werden.For the described multi-particle beam system, high resolution and high throughput are of paramount importance for satisfactory and successful practical application. In this context, it is necessary, among other things, to adjust the intensity of the particle beams. The beam flux of the individual particle beams in a multi-particle beam system must be as uniform as possible for all individual particle beams, and aberrations must be avoided as far as possible for all individual particle beams.
Die
Das oben beschriebene Vielzahl-Teilchenstrahlsystem stößt dann an seine Grenzen, wenn die Anzahl der verwendeten Teilchenstrahlen weiter erhöht wird. Um überhaupt ausreichende Strahlströme für die Einzelstrahlen zu erhalten, müssen möglichst viele Teilchen aus der Teilchenquelle verwendet werden. Dann aber gewinnt die Abstrahlcharakteristik der Teilchenquelle an Bedeutung, genauer gesagt eine Uniformität der Abstrahlcharakteristik über den gesamten verwendeten Abstrahlwinkel. Bei Verwendung von größeren Abstrahlwinkeln ist die Abstrahlcharakteristik von Teilchenquellen, z.B. von thermischen Feldemissionsquellen (TFEs), nicht mehr durchgehend gleichförmig. Entsprechend ist dann auch die Beleuchtungsdichte an einer Multiaperturplatte in einem entsprechenden TeilchenstrahlSystem nicht mehr durchgehend uniform und es kommt zu größeren Variationen bei den Stromdichten in verschiedenen Einzelstrahlen. Es ist bei Mehrteilchen-Inspektionssystemen aber wiederum eine Systemanforderung, dass es zwischen den verschiedenen Einzelstrahlen nur eine geringe Variation in den Stromstärken gibt, die typischerweise weniger als ein paar Prozent beträgt, so dass alle Einzelbildfelder des Multibildfeldes mit einer äquivalenten Anzahl von Teilchen bzw. Elektronen pro Pixel abgetastet werden. Dies ist z.B. eine Voraussetzung dafür, um Einzelbilder mit annähernd derselben Helligkeit zu erhalten.The multi-particle beam system described above reaches its limits when the number of particle beams used is further increased. To obtain sufficient beam currents for the individual beams, as many particles as possible from the particle source must be used. However, the emission characteristics of the particle source then become important, more precisely, the uniformity of the emission characteristics across the entire emission angle used. When using larger emission angles, the emission characteristics of particle sources, e.g., thermal field emission sources (TFEs), are no longer uniform. Accordingly, the illuminance at a multi-aperture plate in a corresponding particle beam system is also no longer uniform, and larger variations in the current densities occur in different individual beams. However, it is a system requirement for multi-particle inspection systems that there is only a small variation in the current intensities between the different individual beams, typically less than a few percent, so that all individual image fields of the multi-image field are illuminated with an equivalent number of particles or electrons per pixel. They are touched. This is, for example, a prerequisite for obtaining individual images with approximately the same brightness.
Bei Inspektionssystemen, die mit Mehrstrahl-Teilchenstrahlsystemen arbeiten, stellt die Verwendung von Teilchenquellen mit hohen Abstrahlwinkeln und gleichzeitig hohen Anforderungen an den Strom pro Einzelstrahl aufgrund der variierenden Abstrahlcharakteristik also eine Herausforderung dar. Ähnliche Anforderungen gibt es auch für andere Vielzahl-Teilchenstrahlsysteme wie z.B. Vielstrahl-Lithographiesysteme.For inspection systems that operate with multi-beam particle beam systems, the use of particle sources with high beam angles and simultaneously high current requirements per individual beam presents a challenge due to the varying beam characteristics. Similar requirements exist for other multi-beam particle beam systems, such as multi-beam lithography systems.
Bei der Verwendung einer Strahlerzeugungsvorrichtung wird deshalb ein Kompromiss eingegangen zwischen der Nutzung eines möglichst großen Abstrahlwinkels eines Teilchenemitters zur Erzeugung eines hohen Gesamtstrahlstromes einerseits und der dabei noch gewährleisteten Strahluniformität andererseits. In der Praxis wird deshalb ein Außenbereich des vom Teilchenemitter erzeugten geladenen Einzel-Teilchenstrahles mittels einer Blende (Anodenblende) abgeschnitten. In diesem Außenbereich ist der Teilchenstrom stark erhöht. Dieser hohe Strahlstrom im Außenbereich erklärt sich durch Feldüberhöhungen an den Außenkanten der flachen Frontfacette einer Emitterspitze. An diesen Außenkanten werden wegen der Feldüberhöhung besonders viele geladene Teilchen emittiert. Genutzt wird bzw. sinnvoll nutzbar ist in einem Vielzahl-Teilchenstrahlsystem aber nur der weitgehend uniforme Abstrahlbereich des Teilchenemitters, also nur die von der flachen Frontfacette emittierten Teilchen bzw. Elektronen, nicht die Teilchen, die aus dem Bereich nahe den Außenkanten der flachen Frontfacette emittiert worden sind.When using a beam generation device, a compromise is therefore made between utilizing the largest possible emission angle of a particle emitter to generate a high total beam flux on the one hand, and ensuring beam uniformity on the other. In practice, an outer region of the charged single-particle beam generated by the particle emitter is therefore cut off by an aperture (anode aperture). In this outer region, the particle flux is significantly increased. This high beam flux in the outer region is explained by field enhancements at the outer edges of the flat front facet of an emitter tip. Due to the field enhancement, a particularly large number of charged particles are emitted at these outer edges. However, in a multi-particle beam system, only the largely uniform emission region of the particle emitter is used, i.e., only the particles or electrons emitted from the flat front facet, not the particles emitted from the region near the outer edges of the flat front facet.
Ein Problem ist außerdem die Tatsache, dass wegen der beschriebenen Problematik in der Strahlerzeugungsvorrichtung aus den emittierten geladenen Teilchen später erzeugte weiter außen liegenden Einzel-Teilchenstrahlen im Vergleich zu zentraler angeordneten Einzel-Teilchenstrahlen vermehrt Aberrationen aufweisen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Anzahl der Einzel-Teilchenstrahlen bzw. deren Feld groß ist bzw. noch weiter erhöht werden soll. Es ist deshalb wünschenswert, die auftretenden Aberrationen auch der außen liegenden Einzel-Teilchenstrahlen zu verringern, und zwar ohne notgedrungen die Anzahl der Einzel-Teilchenstrahlen deswegen zu reduzieren bzw. einen geringeren Abstrahlwinkel des Teilchenemitters für die nachfolgende Erzeugung von Einzel-Teilchenstrahlen zu nutzen.Another problem is that, due to the described issues in the beam generation device, individual particle beams generated later from the emitted charged particles and located further out exhibit more aberrations compared to those arranged more centrally. This is especially true when the number of individual particle beams or their field is large or is to be increased further. It is therefore desirable to reduce the aberrations occurring in the outermost individual particle beams as well, without necessarily reducing the number of individual particle beams or using a smaller emission angle of the particle emitter for the subsequent generation of individual particle beams.
- (a) Die Extraktorelektrode wird als sphärisch konkave Fläche ausgebildet. In der Nähe der Elektronenemissionsfläche ist bei einer sphärisch konkaven Ausbildung der Extraktorelektrode ein starker Intensitätsanstieg des elektrischen Feldes zu verzeichnen. (b) Als weitere Maßnahme zur Steigerung der elektrischen Feldstärke in der Nähe der Elektronenemissionsfläche wird eine spitzere Kathode mit einem Konuswinkel von 50° oder weniger vorgeschlagen. In der
wird die Nutzung eines großen Abstrahlwinkels nicht thematisiert. Es geht zudem nirgends um die Verringerung von Aberrationen. Strahlstromuniformitäten von einer Vielzahl von Elektronenstrahlen werden für das Einzelstrahlsystem derDE 11 2007 000 045 T5 ebenfalls nicht diskutiert.DE 11 2007 000 045 T5
- (a) The extractor electrode is designed as a spherically concave surface. Near the electron emission surface, a strong increase in the intensity of the electric field is observed with a spherically concave extractor electrode. (b) As a further measure to increase the electric field strength near the electron emission surface, a more pointed cathode with a cone angle of 50° or less is proposed. In the
The use of a large beam angle is not addressed. Furthermore, the reduction of aberrations is not discussed anywhere. Beam current uniformity from a multitude of electron beams is not considered for the single-beam system of theDE 11 2007 000 045 T5 also not discussed.DE 11 2007 000 045 T5
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Teilchenstrahlsystem, das mit einer Vielzahl von geladenen Einzel-Teilchenstrahlen arbeitet, bereitzustellen, das auch bei einer Verwendung einer großen Anzahl von Einzel-Teilchenstrahlen und gleichzeitig hohem Strahlstrom für jeden Einzel-Teilchenstrahl eine hohe Strahl-Uniformität zwischen den Einzel-Teilchenstrahlen gewährleistet und Aberrationen der Einzel-Teilchenstrahlen reduziert. Bei einer Strahlerzeugungsvorrichtung für das Vielzahl-Teilchenstrahlsystem soll ein großer Aperturbereich möglichst homogen ausgeleuchtet werden.The object of the present invention is therefore to provide a particle beam system operating with a plurality of charged single-particle beams, which ensures high beam uniformity between the individual particle beams and reduces aberrations of the individual particle beams, even when using a large number of single-particle beams and simultaneously a high beam current for each individual particle beam. In a beam generation device for the plurality-particle beam system, a large aperture area should be illuminated as homogeneously as possible.
Die Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.The problem is solved by the independent patent claims. Advantageous embodiments of the invention are described in the dependent patent claims.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, existierende Strahlerzeugungsvorrichtungen für Teilchenstrahlsysteme speziell an die oben beschriebenen Anforderungen von Vielzahl-Teilchenstrahlsystemen anzupassen. Es wird vorgeschlagen, eine Extraktorelektrode sphärisch auszulegen bzw. als Kugelkalotte zu formen. Dadurch kann am Teilchenemitter bzw. an der Emitterspitze ein isotropes elektrisches Feld erzeugt werden. Dadurch wird zum einen ein großer Aperturbereich des Teilchenemitters nutzbar, zum anderen kann die Entstehung von sphärischen Aberrationen dadurch prinzipiell vermieden werden.The invention is based on the idea of adapting existing beam generation devices for particle beam systems specifically to the requirements of multi-particle beam systems described above. It is proposed to design an extractor electrode spherically or to shape it as a spherical cap. This allows an isotropic electric field to be generated at the particle emitter or at the emitter tip. This enables the utilization of a large aperture range of the particle emitter and, in principle, prevents the formation of spherical aberrations.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf eine Strahlerzeugungsvorrichtung für ein Vielzahl-Teilchenstrahlsystem, insbesondere für ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop, das mit einer Vielzahl von geladenen Einzel-Teilchenstrahlen arbeitet, wobei die Strahlerzeugungsvorrichtung Folgendes aufweist:
- einen Teilchenemitter mit einer Kathodenspitze zum Emittieren geladener Teilchen insbesondere mittels thermischer Feldemission, die einen geladenen Teilchenstrahl bilden;
- eine Suppressorelektrode, die den Teilchenemitter zumindest teilweise umgibt, wobei zwischen der Kathodenspitze und der Suppressorelektrode im Betrieb eine Suppressorspannung anliegt,
- eine Extraktorelektrode, die von der Kathodenspitze beabstandet ist und die die geladenen Teilchen mittels einer zwischen der Kathodenspitze und der Extraktorelektrode im Betrieb anliegenden Extraktionsspannung aus der Kathodenspitze extrahiert; und
- eine Anodenelektrode, die von der Kathodenspitze weiter beabstandet ist als die Extraktorelektrode und die die extrahierten geladenen Teilchen mittels einer zwischen der Kathodenspitze und der Anodenelektrode im Betrieb anliegenden Beschleunigungsspannung weiter beschleunigt,
- wobei die Extraktorelektrode eine Form aufweist, die eine Kugelkalotte umfasst oder aus einer Kugelkalotte besteht,
- wobei die Suppressorelektrode eine Form aufweist, die eine Kugelkalotte umfasst oder aus einer Kugelkalotte besteht.
- a particle emitter with a cathode tip for emitting charged particles, in particular by means of thermal field emission, which form a charged particle beam;
- a suppressor electrode that at least partially surrounds the particle emitter, with a suppressor voltage applied between the cathode tip and the suppressor electrode during operation,
- an extractor electrode spaced apart from the cathode tip, which extracts the charged particles from the cathode tip by means of an extraction voltage applied between the cathode tip and the extractor electrode during operation; and
- an anode electrode that is further away from the cathode tip than the extractor electrode and that further accelerates the extracted charged particles by means of an accelerating voltage applied between the cathode tip and the anode electrode during operation,
- wherein the extractor electrode has a shape that includes or consists of a spherical cap,
- wherein the suppressor electrode has a shape that includes or consists of a spherical cap.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf eine Strahlerzeugungsvorrichtung für ein Vielzahl-Teilchenstrahlsystem, insbesondere für ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop, das mit einer Vielzahl von geladenen Einzel-Teilchenstrahlen arbeitet, wobei die Strahlerzeugungsvorrichtung Folgendes aufweist:
- einen Teilchenemitter mit einer Kathodenspitze zum Emittieren geladener Teilchen, insbesondere mittels thermischer Feldemission, die einen geladenen Teilchenstrahl bilden;
- eine Extraktorelektrode, die von der Kathodenspitze beabstandet ist und die die geladenen Teilchen mittels einer zwischen der Kathodenspitze und der Extraktorelektrode im Betrieb anliegenden Extraktionsspannung aus der Kathodenspitze extrahiert; und
- eine Anodenelektrode, die von der Kathodenspitze weiter beabstandet ist als die Extraktorelektrode und die die extrahierten geladenen Teilchen mittels einer zwischen der Kathodenspitze und der Anodenelektrode im Betrieb anliegenden Beschleunigungsspannung weiter beschleunigt,
- wobei die Extraktorelektrode eine Form aufweist, die eine Kugelkalotte umfasst oder aus einer Kugelkalotte besteht,
- wobei die Anodenelektrode eine Form aufweist, die eine Kugelkalotte umfasst oder aus einer Kugelkalotte besteht,
- wobei die Kugelkalotte der Extraktorelektrode einen Kugelmittelpunkt ME aufweist,
- wobei die Kugelkalotte der Anodenelektrode einen Kugelmittelpunkt MA aufweist,
- wobei die Positionen der beiden Kugelmittelpunkte ME und MA miteinander übereinstimmen.
- a particle emitter with a cathode tip for emitting charged particles, in particular by means of thermal field emission, which form a charged particle beam;
- an extractor electrode spaced apart from the cathode tip, which extracts the charged particles from the cathode tip by means of an extraction voltage applied between the cathode tip and the extractor electrode during operation; and
- an anode electrode that is further away from the cathode tip than the extractor electrode and that further accelerates the extracted charged particles by means of an accelerating voltage applied between the cathode tip and the anode electrode during operation,
- wherein the extractor electrode has a shape that includes or consists of a spherical cap,
- wherein the anode electrode has a shape that includes or consists of a spherical cap,
- wherein the spherical cap of the extractor electrode has a spherical center ME,
- wherein the spherical cap of the anode electrode has a spherical center MA,
- where the positions of the two sphere centers ME and MA coincide.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf eine Strahlerzeugungsvorrichtung für ein Vielzahl-Teilchenstrahlsystem, insbesondere für ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop, das mit einer Vielzahl von geladenen Einzel-Teilchenstrahlen arbeitet, wobei die Strahlerzeugungsvorrichtung Folgendes aufweist:
- einen Teilchenemitter mit einer Kathodenspitze zum Emittieren geladener Teilchen insbesondere mittels thermischer Feldemission, die einen geladenen Teilchenstrahl bilden;
- eine Extraktorelektrode, die von der Kathodenspitze beabstandet ist und die die geladenen Teilchen mittels einer zwischen der Kathodenspitze und der Extraktorelektrode im Betrieb anliegenden Extraktionsspannung aus der Kathodenspitze extrahiert; und
- eine Anodenelektrode, die von der Kathodenspitze weiter beabstandet ist als die Extraktorelektrode und die die extrahierten geladenen Teilchen mittels einer zwischen der Kathodenspitze und der Anodenelektrode im Betrieb anliegenden Beschleunigungsspannung weiter beschleunigt,
- eine Kondensorelektrode, die weiter von der Kathodenspitze beabstandet ist als die Anodenelektrode,
- wobei die Extraktorelektrode eine Form aufweist, die eine Kugelkalotte umfasst oder aus einer Kugelkalotte besteht,
- wobei die Anodenelektrode eine Form aufweist, die eine Kugelkalotte umfasst oder aus einer Kugelkalotte besteht,
- wobei die Kondensorelektrode eine Form aufweist, die eine Kugelkalotte umfasst oder aus einer Kugelkalotte besteht.
- a particle emitter with a cathode tip for emitting charged particles, in particular by means of thermal field emission, which form a charged particle beam;
- an extractor electrode spaced apart from the cathode tip, which extracts the charged particles from the cathode tip by means of an extraction voltage applied between the cathode tip and the extractor electrode during operation; and
- an anode electrode that is further away from the cathode tip than the extractor electrode and that further accelerates the extracted charged particles by means of an accelerating voltage applied between the cathode tip and the anode electrode during operation,
- a condenser electrode that is further away from the cathode tip than the anode electrode,
- wherein the extractor electrode has a shape that includes or consists of a spherical cap,
- wherein the anode electrode has a shape that includes or consists of a spherical cap,
- wherein the condenser electrode has a shape that includes or consists of a spherical cap.
Der Begriff Kugelkalotte wird in Zusammenhang mit dieser Patentanmeldung wie in der Mathematik üblich definiert. Die Anforderung an die Form einer Kugelkalotte muss dabei im Wesentlichen erfüllt sein. Es ist beispielsweise möglich, dass die Kugelkalotte eine oder mehrere Öffnungen beispielsweise für den Durchtritt von geladenen Teilchen aufweist. Es ist auch möglich, dass nur eine innere oder eine äußere Oberfläche der Kugelkalotte eine exakte Sphäre aufweist. Sinnvollerweise wird die oder werden die Oberflächen der Extraktorelektrode eine exakte Kugelkalottenform aufweisen, an denen es aus teilchenoptischen Gründen besonders wichtig ist, dass auf dieser Oberfläche die Feldlinien des elektrostatischen Feldes exakt senkrecht stehen. Außerdem hat eine Strahlerzeugungsvorrichtung normalerweise eine Vorzugsrichtung hinsichtlich des emittierten Teilchenstrahles, nämlich entlang der teilchenoptischen Achse Z. Die Form der Extraktorelektrode als Kugelkalotte liegt dann zumindest in dem Bereich um die teilchenoptische Achse Z herum und zumindest auf der Seite vor, die der Kathodenspitze zugewandt ist. Weiter entfernte Bereiche oder Außenbereiche der Extraktorelektrode können auch eine andere Form als die einer Kugelkalotte aufweisen.The term "spherical cap" is defined in this patent application in accordance with standard mathematical practice. The requirement for the shape of a spherical cap must be essentially fulfilled. For example, the spherical cap may have one or more openings, such as for the passage of charged particles. It is also possible that only an inner or outer surface of the spherical cap has a perfect sphere. Ideally, the surface(s) of the extractor electrode will have a perfect spherical cap shape, as it is particularly important for particle optics reasons that the field lines of the electrostatic field are exactly perpendicular to this surface. Furthermore, a beam-generating device typically has a preferred direction with respect to the emitted particle beam, namely along the particle-optical axis Z. The extractor electrode then has a spherical cap shape at least in the region around the particle-optical axis Z and at least on the side facing the cathode tip. More distant regions or outer areas of the extractor electrode may have a shape other than that of a spherical cap.
Die in Zusammenhang mit der vorliegenden Patentanmeldung verwendeten Begriffe Kathode und Anode sind nicht einschränkend hinsichtlich der Art der vom Teilchenemitter emittierten geladenen Teilchen zu verstehen. Zum besseren Verständnis der Erfindung werden aber die Begriffe so verwendet, wie sie Konvention sind, wenn es sich bei den emittierten geladenen Teilchen um Elektronen bzw. Elektronenstrahlen handelt. Bei den geladenen Teilchen kann es sich erfindungsgemäß aber auch um Positronen, Myonen oder Ionen oder andere geladene Teilchen bzw. Teilchenstrahlen handeln. Die Begriffe Kathode und Anode sind dann entsprechend auszulegen.The terms cathode and anode used in connection with the present patent application are not to be understood as restrictive with regard to the type of charged particles emitted by the particle emitter. For a better understanding of the invention, however, the terms are used as they are conventionally when the emitted charged particles are electrons or electron beams. According to the invention, the charged particles can also be positrons, muons, ions, or other charged particles or particle beams. The terms cathode and anode are then to be interpreted accordingly.
Der Teilchenemitter umfasst eine Kathodenspitze. Diese Kathodenspitze ist annähernd punktförmig und bildet somit den Ausgangspunkt des emittierten geladenen Teilchenstrahls. In der Praxis kann die Kathodenspitze der ebenen Endfacette einer Frontfacette einer Wolframkathode entsprechen, die beispielsweise mit einer Zirkonoxidschicht bedampft sein kann. Durch die Zirkonoxidschicht kann eine Austrittsarbeit der Elektronen aus der Wolframkathode erniedrigt werden, sodass eine Aufheizung der Kathode auf etwa 1500°C bereits ausreicht, damit Elektronen aus der Wolfram-Einkristallspitze austreten (thermische Feldemissionskathode bzw. Schottky-Emitter). Der Teilchenemitter mit seiner Kathodenspitze kann aber auch anders ausgebildet sein.The particle emitter includes a cathode tip. This cathode tip is approximately point-like and thus forms the starting point of the emitted charged particle beam. In practice, the cathode tip can correspond to the planar end facet of a front facet of a tungsten cathode, which may, for example, be coated with a zirconium oxide layer. The zirconium oxide layer can lower the work function of the electrons leaving the tungsten cathode, so that heating the cathode to approximately 1500°C is sufficient for electrons to be emitted from the tungsten single-crystal tip (thermal field emission cathode or Schottky emitter). However, the particle emitter with its cathode tip can also be configured differently.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Anodenelektrode eine Öffnung auf, durch die der geladene Teilchenstrahl im Betrieb der Strahlerzeugungsvorrichtung hindurchtritt und deren Größe so bemessen ist, dass der geladene Teilchenstrahl beim Hindurchtreten durch die Öffnung in einem Randbereich beschnitten wird. Dadurch werden die oben schon beschriebenen Intensitätsspitzen des geladenen Teilchenstrahls, die sich aufgrund von Feldüberhöhungen an der Kante der Endfassette bilden können, abgeschnitten. Die Öffnung der Anodenelektrode wird dadurch möglichst homogen ausgeleuchtet. Für eine nachfolgende Bildung von Einzel-Teilchenstrahlen bedeutet dies, dass die Einzel-Teilchenstrahlen jeweils etwa denselben Strahlstrom aufweisen können.According to a preferred embodiment of the invention, the anode electrode has an opening through which the charged particle beam passes during operation of the beam-generating device. The size of this opening is such that the charged particle beam is clipped at the edge as it passes through the opening. This clips the intensity peaks of the charged particle beam, which can form at the edge of the end facet due to field enhancements, as described above. The opening of the anode electrode is thus illuminated as homogeneously as possible. This is beneficial for the subsequent formation of individual particle beams. This means that the individual particle beams can each have approximately the same beam flux.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kugelkalotte der Extraktorelektrode einen Kugelmittelpunkt ME auf, und die Positionen der Kathodenspitze einerseits und des Kugelmittelpunktes ME andererseits stimmen miteinander im Wesentlichen überein. Die Toleranz der Übereinstimmung kann z.B. 50µm oder 20µm oder 10µm absolut betragen oder in der Größenordnung der Größe der Kathodenspitze gewählt werden. Bei dieser Anordnung stehen die elektrischen Feldlinien des Extraktionsfeldes zwischen der Kathodenspitze und der Extraktorelektrode senkrecht auf der Oberfläche der Extraktorelektrode und die Krümmung der Feldlinien von der Kathodenspitze zum Extraktor wird minimiert. An der Kathodenspitze selbst wird deshalb ein isotropes Feld erzeugt. Es kann ein verhältnismäßig großer Aperturbereich des Teilchenemitters bzw. der Kathodenspitze genutzt werden. Dadurch, dass die Extraktorelektrode als Kugelkalotte bzw. als (Teil einer) Kugellinse ausgebildet ist, sind sphärische Aberrationen reduziert. Ganz allgemein gilt, dass bei einer punktförmigen Quelle und deren Abbildung durch perfekte Kugellinsen systembedingt keine sphärischen Aberrationen auftreten. Konkret kann also verhindert werden, dass Außenbereiche des von der Kathodenspitze emittierten Teilchenstrahls bereits aufgrund der Strahlerzeugung sphärische Aberrationen aufweisen. Es ist also prinzipiell möglich, in dem Vielzahl-Teilchenstrahlsystem das Feld aus geladenen Einzel-Teilchenstrahlen zu vergrößern bzw. darin eine höhere Anzahl von geladenen Einzel-Teilchenstrahlen anzuordnen, sodass die Uniformitäts-Bedingung für die Einzel-Teilchenstrahlen erhalten bleibt.According to a preferred embodiment of the invention, the spherical cap of the extractor electrode has a spherical center ME, and the positions of the cathode tip and the spherical center ME are substantially aligned. The tolerance of this alignment can be, for example, 50 µm, 20 µm, or 10 µm absolute, or it can be on the order of the size of the cathode tip. In this arrangement, the electric field lines of the extraction field between the cathode tip and the extractor electrode are perpendicular to the surface of the extractor electrode, and the curvature of the field lines from the cathode tip to the extractor is minimized. An isotropic field is therefore generated at the cathode tip itself. A relatively large aperture range of the particle emitter or the cathode tip can be utilized. Because the extractor electrode is designed as a spherical cap or as (part of) a spherical lens, spherical aberrations are reduced. In general, it is true that with a point source and its imaging by perfect spherical lenses, no spherical aberrations occur due to the system's inherent properties. Specifically, this prevents the outer regions of the particle beam emitted from the cathode tip from exhibiting spherical aberrations simply as a result of the beam generation process. Therefore, it is fundamentally possible to increase the field of charged single-particle beams in the multi-particle beam system, or to arrange a greater number of charged single-particle beams within it, while still maintaining the uniformity condition for the single-particle beams.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Strahlerzeugungsvorrichtung des Weiteren eine Suppressorelektrode auf, die den Teilchenemitter zumindest teilweise umgibt. Dabei liegt zwischen der Kathodenspitze und der Suppressorelektrode im Betrieb eine Suppressorspannung an. Die Suppressorelektrode weist eine Form auf, die eine Kugelkalotte umfasst oder aus einer Kugelkalotte besteht. Die Form der Suppressorelektrode ist zumindest in Richtung der teilchenoptischen Achse der Strahlerzeugungsvorrichtung Kugelkalotten-förmig. In den Randbereichen kann die Suppressorelektrode auch anders als sphärisch ausgebildet sein.According to a further preferred embodiment of the invention, the beam generating device further comprises a suppressor electrode that at least partially surrounds the particle emitter. During operation, a suppressor voltage is applied between the cathode tip and the suppressor electrode. The suppressor electrode has a shape that encompasses or consists of a spherical cap. The shape of the suppressor electrode is spherical cap-shaped at least in the direction of the particle-optical axis of the beam generating device. In the peripheral regions, the suppressor electrode can also have a shape other than spherical.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Suppressorelektrode eine Öffnung auf, durch die der Teilchenemitter der Kathodenspitze hervorragt. Aufgrund dieser Anordnung wird verhindert, dass aus anderen Bereichen des Teilchenemitters, die nicht der Kathodenspitze zuzurechnen sind, Elektronen bzw. geladene Teilchen aus dem Teilchenemitter austreten.According to a further preferred embodiment of the invention, the suppressor electrode has an opening through which the particle emitter of the cathode tip protrudes. This arrangement prevents electrons or charged particles from escaping the particle emitter from other areas of the particle emitter that are not part of the cathode tip.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kugelkalotte der Suppressorelektrode einen Kugelmittelpunkt MS auf und die Kugelkalotte der Extraktorelektrode weist einen Kugelmittelpunkt ME auf. Dabei stimmen die Positionen der beiden Kugelmittelpunkte MS und ME miteinander überein. Die Genauigkeit dieser Übereinstimmung beträgt beispielsweise +/- 50µm oder +/- 10µm. Durch die beschriebene Anordnung der Suppressor-Kugelkalotte und der Extraktor-Kugelkalotte zueinander wird zwischen diesen beiden Elektroden ein Abstand gebildet, der im Westlichen über den gesamten Kugelkalotten-Bereich gleich groß ist. Elektrostatische Feldlinien zwischen der Suppressorelektrode und der Extraktorelektrode stehen wiederum senkrecht auf der jeweiligen Elektrodenoberfläche und die Feldlinienkrümmung ist minimiert. Auch hier handelt es sich also um eine Anordnung mit einer teilchenoptischen Kugellinse, die wiederum die Reduktion von sphärischen Aberrationen ermöglicht. Es ist bei dieser Ausführungsvariante der Erfindung lediglich nicht mehr möglich, dass der Kugelmittelpunkt ME der Extraktor-Kugelkalotte mit der Kathodenspitze des Teilchenemitters übereinstimmt. Dies ist jedoch wiederum nicht notwendig, sollte ein facettierter Emitter verwendet werden.According to a preferred embodiment of the invention, the spherical cap of the suppressor electrode has a spherical center MS, and the spherical cap of the extractor electrode has a spherical center ME. The positions of the two spherical centers MS and ME coincide. The accuracy of this coincidence is, for example, ±50 µm or ±10 µm. Due to the described arrangement of the suppressor and extractor spherical caps relative to each other, a distance is formed between these two electrodes that is uniform across the entire spherical cap area. Electrostatic field lines between the suppressor and extractor electrodes are perpendicular to the respective electrode surfaces, and the curvature of the field lines is minimized. This arrangement also incorporates a particle-optical spherical lens, which in turn enables the reduction of spherical aberrations. In this embodiment of the invention, it is simply no longer possible for the center point ME of the extractor spherical cap to coincide with the cathode tip of the particle emitter. However, this is unnecessary if a faceted emitter is used.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gilt für einen minimalen Abstand dSE zwischen der Suppressorelektrode und der Extraktorelektrode folgende Relation: 300µm ≤ dSE ≤ 3000µm, bevorzugt 550µm ≤ dSE ≤ 3000µm oder 1000µm ≤ dSE ≤ 3000µm. Der minimale Abstand dSE kann dabei einem konstanten Abstand zwischen konzentrisch ineinander angeordneten Kugelkalotten entsprechen. Dies muss aber nicht der Fall sein, beispielsweise bei gleichen Radien der Kugelkalotten von Suppressorelektrode und Extraktorelektrode.According to a preferred embodiment of the invention, the following relationship applies to the minimum distance dSE between the suppressor electrode and the extractor electrode: 300 µm ≤ dSE ≤ 3000 µm, preferably 550 µm ≤ dSE ≤ 3000 µm or 1000 µm ≤ dSE ≤ 3000 µm. The minimum distance dSE can correspond to a constant distance between concentrically arranged spherical caps. However, this need not be the case, for example, if the spherical caps of the suppressor electrode and the extractor electrode have the same radii.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Anodenelektrode eine Form auf, die eine Kugelkalotte umfasst oder aus einer Kugelkalotte besteht. Dabei weist zumindest der Bereich der Anodenelektrode in Richtung der teilchenoptischen Achse Z bzw. um diese herum die Form einer Kugelkalotte auf. In Randbereichen kann die Form der Anodenelektrode von der Form der Kugelkalotte abweichen. Auch diese Kugelkalottenform der Anodenelektrode hat einen positiven Einfluss auf die Reduzierung von Aberrationen, insbesondere von sphärischen Aberrationen.According to a further preferred embodiment of the invention, the anode electrode has a shape that comprises or consists of a spherical cap. At least the region of the anode electrode in the direction of, or around, the particle-optical axis Z has the shape of a spherical cap. In peripheral regions, the shape of the anode electrode may deviate from the shape of a spherical cap. This spherical cap shape of the anode electrode also has a positive effect on the reduction of aberrations, in particular spherical aberrations.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kugelkalotte der Extraktorelektrode einen Kugelmittelpunkt ME auf und die Kugelkalotte der Anodenelektrode weist einen Kugelmittelpunkt MA auf. Dabei stimmen die Positionen der beiden Kugelmittelpunkte ME und MA miteinander überein. Die beiden Positionen können beispielsweise bis auf +/-50µm oder +/-10µm übereinstimmen. Es ist möglich, dass die Strahlerzeugungsvorrichtung zum Ausrichten der Extraktorelektrode und der Anodenelektrode zueinander einen Ausrichtungsmechanismus aufweist. Beispielsweise ist es möglich, die Anodenelektrode in einer Ebene orthogonal zur teilchenoptischen Achse Z der Strahlerzeugungsvorrichtung zu verschieben. Zusätzlich oder alternativ kann eine Verschiebemöglichkeit der Anodenelektrode relativ zu Extraktorelektrode entlang der teilchenoptischen Achse Z, also in z-Richtung, vorgesehen sein.According to a further preferred embodiment of the invention, the spherical cap of the extractor electrode has a spherical center ME and the spherical cap of the anode electrode has The beam generating device has a sphere center MA. The positions of the two sphere centers ME and MA coincide. These two positions can coincide to within, for example, +/-50 µm or +/-10 µm. The beam generating device may have an alignment mechanism for aligning the extractor electrode and the anode electrode relative to each other. For example, the anode electrode can be moved in a plane orthogonal to the particle-optical axis Z of the beam generating device. Additionally or alternatively, the device may allow the anode electrode to be moved relative to the extractor electrode along the particle-optical axis Z, i.e., in the z-direction.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Strahlerzeugungsvorrichtung eine Kondensorelektrode auf. Diese ist weiter von der Kathodenspitze beabstandet als die Anodenelektrode. Die Kondensorelektrode weist eine Form auf, die eine Kugelkalotte umfasst oder aus einer Kugelkalotte besteht. Dabei ist es wiederum so, dass die Kugelkalotten-Form der Kondensorelektrode zumindest im Bereich in Richtung der teilchenoptischen Achse Z der Strahlerzeugungsvorrichtung bzw. des Vielzahl-Teilchenstrahlsystems vorhanden ist. In Randbereichen kann die Form der Kondensorelektrode von der Kugelkalottenform abweichen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist also eine Kondensorelektrode bzw. Kondensorlinse in die Strahlerzeugungsvorrichtung integriert. Diese Integration bietet sich wegen der Kugelkalottenform der Kondensorelektrode an, insbesondere dann, wenn die Kondensorelektrode in spezieller Weise zu der sphärischen Anodenelektrode ausgerichtet ist. According to a further preferred embodiment of the invention, the beam generating device includes a condenser electrode. This electrode is positioned further from the cathode tip than the anode electrode. The condenser electrode has a shape that encompasses or consists of a spherical cap. The spherical cap shape of the condenser electrode is present at least in the region along the particle-optical axis Z of the beam generating device or the multiple particle beam system. In peripheral regions, the shape of the condenser electrode may deviate from the spherical cap shape. In this embodiment of the invention, a condenser electrode or condenser lens is thus integrated into the beam generating device. This integration is advantageous because of the spherical cap shape of the condenser electrode, particularly when the condenser electrode is specifically oriented relative to the spherical anode electrode.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kugelkalotte der Anodenelektrode einen Kugelmittelpunkt MA auf und die Kugelkalotte der Kondensorelektrode weist einen Kugelmittelpunkt MK auf. Dabei stimmen die beiden Kugelmittelpunkte MA und MK miteinander überein. Bei dieser Ausführungsform ist der Abstand zwischen der Anodenelektrode und der Kondensorelektrode über einen weiten Bereich, nämlich über den Bereich der Kugelkalotten, gleich groß. Dies hat wiederum zur Folge, dass die elektrischen Feldlinien zwischen der Anodenelektrode und der Kondensorelektrode jeweils orthogonal zu den Oberflächen der Elektroden orientiert sind und dass die Feldlinienkrümmung minimiert ist, mithin wird wiederum das Feld einer Kugellinse erzeugt. Auch durch diese Maßnahme können wiederum sphärische Aberrationen insbesondere in Randbereichen des emittierten Teilchenstrahls reduziert werden.According to a preferred embodiment of the invention, the spherical cap of the anode electrode has a spherical center MA, and the spherical cap of the condenser electrode has a spherical center MK. The two spherical centers MA and MK coincide. In this embodiment, the distance between the anode electrode and the condenser electrode is constant over a wide area, namely over the area of the spherical caps. This, in turn, results in the electric field lines between the anode electrode and the condenser electrode being oriented orthogonally to the surfaces of the electrodes, and the curvature of the field lines is minimized, thus generating a spherical lens effect. This measure also reduces spherical aberrations, particularly in the edge regions of the emitted particle beam.
Eine Außenseite der Kondensorelektrode muss hingegen nicht unbedingt die Form einer Kugelkalotte aufweisen, diese Seite der Kondensorelektrode weist von dem Teilchenemitter weg. Stattdessen kann die Formgebung der äußeren Oberfläche der Kondensorelektrode so gewählt sein, dass sie mit im teilchenoptischen Strahlengang des Vielzahl-Teilchenstrahlsystem weiter entfernt vom Teilchenemitter angeordneten teilchenoptischen Linsen und den damit erzeugten elektrostatischen oder magnetischen Feldern am besten harmoniert oder technisch zusammenspielt.The outer surface of the condenser electrode, however, does not necessarily have to have the shape of a spherical cap; this side of the condenser electrode faces away from the particle emitter. Instead, the shape of the outer surface of the condenser electrode can be chosen so that it best harmonizes or interacts with the particle-optical lenses located further away from the particle emitter in the particle-optical beam path of the multiple particle beam system, and with the electrostatic or magnetic fields they generate.
Insgesamt ist es möglich, dass die Suppressorelektrode, die Extraktorelektrode, die Anodenelektrode und bevorzugt auch die Kondensorelektrode eine Sequenz von Kugelkalotten bilden, deren Kugelmittelpunkte idealerweise miteinander übereinstimmen.Overall, it is possible that the suppressor electrode, the extractor electrode, the anode electrode and preferably also the condenser electrode form a sequence of spherical caps whose sphere centers ideally coincide.
Die Abstände zwischen den verschiedenen Kugelkalotten können jeweils identisch sein, sie können aber auch innerhalb der Sequenz von Kugelkalotten variieren. Für sämtliche Elektroden der Strahlerzeugungsvorrichtung, die eine Form aufweisen, die eine Kugelkalotte umfasst oder die aus einer Kugelkalotte besteht, gilt folgendes: Die Elektroden können auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. Die Elektroden selbst können beispielsweise aus einem Metallblech bestehen. Dieses kann mittels einer Form rundgepresst werden. Eine Elektrodenöffnung kann dann beispielsweise unter Verwendung von mikro-EDM (Englisch „electrical discharge machining“) oder mittels Laserbohren erzeugt werden. Eine Alternative zum Rundpressen ist auch der Aufbau der Elektroden mittels 3D-Druck: Zum einen kann ein metallischer 3D-Druck für die Herstellung verwendet werden. Es ist aber auch möglich, einen Plastik-3D-Druck für die Herstellung zu verwenden und die so hergestellte Form, die Kugelkalottenform, anschließend metallisch zu beschichten. Die hier aufgeführten Herstellungsverfahren für eine Elektrode in Kugelkalottenform sind nicht abschließend zu verstehen.The spacing between the individual spherical caps can be identical, but it can also vary within a sequence of spherical caps. The following applies to all electrodes of the beam generation device that have a shape encompassing or consisting of a spherical cap: The electrodes can be manufactured in various ways. The electrodes themselves can, for example, consist of a metal sheet. This can be pressed into a cylindrical shape using a die. An electrode opening can then be created, for example, using micro-EDM (electrical discharge machining) or laser drilling. An alternative to pressing is the fabrication of the electrodes using 3D printing: A metallic 3D print can be used for manufacturing. However, it is also possible to use a plastic 3D print and subsequently coat the resulting spherical cap shape with a metallic coating. The manufacturing methods for a spherical cap electrode listed here are not exhaustive.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Extraktorelektrode eine singuläre Öffnung für das Hindurchtreten des geladenen Teilchenstrahls auf. Diese Öffnung ist bevorzugt rund und kann beispielsweise einen Radius von etwa 150µm, 170µm, 190µm 200µm, 210µm 220µm, 300µm oder einen anderen Radius aufweisen.According to a preferred embodiment of the invention, the extractor electrode has a single opening for the passage of the charged particle beam. This opening is preferably round and can, for example, have a radius of about 150 µm, 170 µm, 190 µm, 200 µm, 210 µm, 220 µm, 300 µm, or another radius.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist die Extraktorelektrode anstelle der singulären Öffnung einen Teilchendurchtrittsbereich auf, der eine Vielzahl von Aperturen umfasst, durch die der geladene Teilchenstrahl unter Bildung einer Vielzahl von Einzel-Teilchenstrahlen hindurchtritt. Diese Ausführungsform dient wiederum der Reduktion von Aberrationen im Vielzahl-Teilchenstrahlsystem: Eine Ursache für Aberrationen ist die Coulomb-Wechselwirkung der geladenen Teilchen miteinander. Ein Großteil der ursprünglich erzeugten geladenen Teilchen wird in dem Vielzahl-Teilchenstrahlsystem aber gar nicht für die Bilderzeugung benötigt, sondern beispielsweise mittels einer Filterplatte, insbesondere im Bereich des Multistrahl-Generators, herausgeschnitten. Mit dem beschriebenen Teilchendurchtrittsbereich in der Extraktorelektrode kann dieses Ausdünnen der geladenen Teilchen bzw. die Erzeugung einer Vielzahl von Einzel-Teilchenstrahlen schon früher und quellennäher erfolgen, weshalb im weiteren Verlauf des teilchenoptischen Strahlenganges Aberrationen aufgrund von Coulomb-Wechselwirkung geringer sind. Der beschriebene Teilchendurchtrittsbereich kann anstelle einer Filterplatte im Bereich des Multistrahl-Generators oder zusätzlich zu einer weiteren Filterplatte, insbesondere im Bereich des Multistrahl-Generators, vorgesehen sein.According to an alternative embodiment of the invention, the extractor electrode, instead of having a single opening, has a particle passage region comprising a plurality of apertures through which the charged particle beam passes, forming a plurality of single-particle beams. This embodiment, in turn, serves to reduce aberrations in the plurality-particle beam system: One cause of aberrations is the Coulomb interaction of the charged particles with each other. A large proportion of the originally generated charged particles are not actually needed for image generation in the multi-particle beam system, but are instead filtered out, for example, by a filter plate, particularly in the area of the multi-beam generator. With the described particle pass-through region in the extractor electrode, this thinning of the charged particles, or the generation of a multitude of individual particle beams, can occur earlier and closer to the source. Therefore, aberrations due to Coulomb interaction are reduced further along the particle-optical beam path. The described particle pass-through region can be used instead of a filter plate in the area of the multi-beam generator or in addition to another filter plate, particularly in the area of the multi-beam generator.
Außerdem ist es so, dass durch das Vorsehen eines Teilchendurchtrittsbereichs anstelle der singulären Öffnung das elektrische Feld nicht wie bei einer singulären Öffnung stark verbogen ist. Durch das fehlende Verbiegen der Feldlinien ist es wiederum möglich, Aberrationen noch weiter zu reduzieren.Furthermore, by providing a particle passage region instead of a singular opening, the electric field is not as strongly bent as it would be with a singular opening. The absence of bending in the field lines, in turn, makes it possible to further reduce aberrations.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Suppressorelektrode eine singuläre Öffnung auf. Dies ist wiederum der Standardfall.According to another preferred embodiment of the invention, the suppressor electrode has a single opening. This is again the standard case.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Anodenelektrode anstelle der singulären Öffnung einen Teilchendurchtrittsbereich auf, der eine Vielzahl von Aperturen umfasst, durch die der geladene Teilchenstrahl unter Bildung einer Vielzahl von Einzel-Teilchenstrahlen hindurchtritt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung erfolgt das beschriebene Ausdünnen der geladenen Teilchen und damit das Unterdrücken von Coulomb-Wechselwirkungen ebenfalls gut.According to a further preferred embodiment of the invention, the anode electrode, instead of having a single opening, has a particle passage region comprising a plurality of apertures through which the charged particle beam passes, forming a plurality of individual particle beams. In this embodiment of the invention, the described thinning of the charged particles and thus the suppression of Coulomb interactions also occurs effectively.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Teilchendurchtrittsbereich der Extraktorelektrode und/oder der Anodenelektrode im Wesentlichen planar ausgebildet. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der Teilchendurchtrittsbereich im Wesentlichen gekrümmt ausgebildet. Bevorzugt folgt er der Form der Kugelkalotte der jeweiligen Elektrode, in der der Teilchendurchtrittsbereich angeordnet ist. Beide Ausführungsvarianten (planar oder gekrümmt) generieren nur geringe Aberrationen.According to a preferred embodiment of the invention, a particle passage region of the extractor electrode and/or the anode electrode is essentially planar. According to an alternative embodiment, the particle passage region is essentially curved. Preferably, it follows the shape of the spherical cap of the respective electrode in which the particle passage region is arranged. Both embodiments (planar or curved) generate only minor aberrations.
Im Falle einer singulären Öffnung ist es auch möglich, die Form der Öffnung selbst bzw. den konkreten Wandverlauf der Öffnung so zu wählen, dass aufgrund der Formgebung innerhalb der Öffnung entlang der z-Richtung der Strahlerzeugungsvorrichtung Aberrationen, die durch die Öffnung hervorgerufen werden, reduziert werden.In the case of a singular opening, it is also possible to choose the shape of the opening itself or the specific wall profile of the opening in such a way that, due to the shaping within the opening along the z-direction of the beam generating device, aberrations caused by the opening are reduced.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gilt für einen minimalen Abstand dKA zwischen der Kathodenspitze und der Anodenelektrode folgende Relation: 5,0mm ≤ dKA ≤ 14,0mm, bevorzugt 6,0mm ≤ dKA ≤ 11,0mm und höchst bevorzugt 7,5mm ≤ dKA ≤ 9,5mm.According to a preferred embodiment of the invention, the following relationship applies for a minimum distance dKA between the cathode tip and the anode electrode: 5.0 mm ≤ dKA ≤ 14.0 mm, preferably 6.0 mm ≤ dKA ≤ 11.0 mm and most preferably 7.5 mm ≤ dKA ≤ 9.5 mm.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gilt für eine Größe dA der Öffnung der Anodenelektrode folgende Relation: dA ≥ 180µm, bevorzugt dA ≥ 200µm oder höchst bevorzugt dA ≥ 220µm. Zusätzlich oder alternativ gilt für einen Gesamtstrahlstrom Ig, der im Betrieb die Öffnung der Anodenblende durchsetzt, folgende Relation: Ig ≥ 1µA oder Ig ≥ 10µA, bevorzugt Ig ≥ 100µA.According to a further preferred embodiment of the invention, the following relationship applies for an anode electrode opening size dA: dA ≥ 180 µm, preferably dA ≥ 200 µm, or most preferably dA ≥ 220 µm. Additionally or alternatively, the following relationship applies for a total beam current Ig passing through the anode aperture during operation: Ig ≥ 1 µA or Ig ≥ 10 µA, preferably Ig ≥ 100 µA.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen für eine Strahlerzeugungsvorrichtung können ganz oder teilweise miteinander kombiniert werden, sofern durch die Kombination keine technischen Widersprüche hervorgerufen werden.The embodiments of a beam-generating device described above can be combined wholly or partially, provided that the combination does not cause any technical contradictions.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf ein Vielzahl-Teilchenstrahlsystem mit einer Strahlerzeugungsvorrichtung wie vorstehend in mehreren Ausführungsvarianten beschrieben. Das Vielzahl-Teilchenstrahlsystem kann beispielsweise als Vielzahl-Teilchenmikroskop ausgebildet sein. Es kann auch als Vielzahl-Lithographiesystem gebildet sein.According to a second aspect of the invention, it relates to a multi-particle beam system with a beam-generating device as described above in several embodiments. The multi-particle beam system can, for example, be configured as a multi-particle microscope. It can also be configured as a multi-lithography system.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung arbeitet das Vielzahl-Teilchenstrahlsystem mit einer Vielzahl N von Einzel-Teilchenstrahlen, wobei gilt: N ≥ 61, insbesondere N ≥ 91 oder N ≥ 100. Je größer das Feld der Vielzahl von Einzel-Teilchenstrahlen ist, desto mehr ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Strahlerzeugungsvorrichtung von Bedeutung. Mit einem Vielzahl-Teilchenstrahlsystem, das über eine erfindungsgemäße Strahlerzeugungsvorrichtung verfügt, kann eine notwendige Strahluniformität auch von noch mehr Einzel-Teilchenstrahlen gut realisiert werden, beispielsweise von 1027 Teilchenstrahlen oder noch mehr Teilchenstrahlen.According to a preferred embodiment of the invention, the multiple particle beam system operates with a multiple N of individual particle beams, where N ≥ 61, in particular N ≥ 91 or N ≥ 100. The larger the field of the multiple individual particle beams, the more important the inventive design of the beam generation device becomes. With a multiple particle beam system that has a beam generation device according to the invention, the necessary beam uniformity can be readily achieved even with a larger number of individual particle beams, for example, 10²⁷ particle beams or even more.
Die Erfindung wird noch besser verstanden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1 : zeigt ein Vielzahl-Teilchenstrahlsystem in schematischer Darstellung; -
2 : zeigt schematisch eine Strahlerzeugungsvorrichtung; -
3 : zeigt schematisch eine Strahlerzeugungsvorrichtung; -
4 : zeigt schematisch eine Strahlerzeugungsvorrichtung; -
5 : zeigt schematisch eine Strahlerzeugungsvorrichtung; -
6 : zeigt schematisch eine Strahlerzeugungsvorrichtung; -
7 : zeigt schematisch eine Strahlerzeugungsvorrichtung; -
8 : zeigt schematisch Strahltrajektorien gemäß einer ersten Ausführungsvariante; -
9 : zeigt schematisch Strahltrajektorien gemäß einer zweiten Ausführungsvariante; -
10 : zeigt schematisch eine Strahlerzeugungsvorrichtung mit einem Teilchendurchtrittsbereich zur Bildung einer Vielzahl von Einzel-Teilchenstrahlen; und -
11 : zeigt schematisch eine Strahlerzeugungsvorrichtung mit einem Teilchendurchtrittsbereich zur Bildung einer Vielzahl von Einzel-Teilchenstrahlen.
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1 : shows a multi-particle beam system in schematic representation; -
2 : schematically shows a beam generating device; -
3 : schematically shows a beam generating device; -
4 : schematically shows a beam generating device; -
5 : schematically shows a beam generating device; -
6 : schematically shows a beam generating device; -
7 : schematically shows a beam generating device; -
8 : schematically shows beam trajectories according to a first implementation variant; -
9 : schematically shows beam trajectories according to a second implementation variant; -
10 Figure 1 schematically shows a beam generation device with a particle passage area for the formation of a multitude of single-particle beams; and -
11 Figure 1 schematically shows a beam generation device with a particle passage area for the formation of a multitude of single-particle beams.
Die Multiaperturanordnung 305 und die Feldlinse 308 sind dazu konfiguriert, in einer Fläche 321 eine Vielzahl von Fokuspunkten 323 von Primärstrahlen 3 in einer Rasteranordnung zu erzeugen. Die Fläche 321 muss keine ebene Fläche sein, sondern kann eine sphärisch gekrümmte Fläche sein, um eine Bildfeldwölbung des nachfolgenden teilchenoptischen Systems vorzuhalten.The multi-aperture arrangement 305 and the field lens 308 are configured to generate a multitude of focal points 323 of primary beams 3 in a grid arrangement on a surface 321. The surface 321 need not be a flat surface, but can be a spherically curved surface to accommodate field curvature of the subsequent particle optical system.
Das Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 umfasst des Weiteren ein System von elektromagnetischen Linsen 103 und eine Objektivlinse 102, die die Strahlfoki 323 aus der Zwischenbildfläche 321 in die Objektebene 101 verkleinert abbilden. Die ersten Einzel-Teilchenstrahlen 3 passieren dazwischen die Strahlweiche 400 und ein kollektives Strahlablenkungssystem 500, mit welchem die Vielzahl der ersten Einzel-Teilchenstrahlen 3 im Betrieb abgelenkt wird und das Bildfeld abgescannt wird. Die in die Objektebene 101 auftreffenden ersten Einzel-Teilchenstrahlen 3 bilden beispielsweise ein im Wesentlichen regelmäßiges Feld, wobei Abstände zwischen benachbarten Auftrefforten 5 beispielsweise 1 µm, 10 µm oder 40 µm betragen können. Das durch die Auftrefforte 5 gebildete Feld kann beispielsweise eine rechteckige oder eine hexagonale Symmetrie aufweisen.The multi-beam particle microscope 1 further comprises a system of electromagnetic lenses 103 and an objective lens 102, which reduce the size of the beam foci 323 from the intermediate image plane 321 onto the object plane 101. The first individual particle beams 3 pass through the beam splitter 400 and a collective beam deflection system 500, which deflects the multitude of the first individual particle beams 3 during operation and scans the image field. The first individual particle beams 3 incident on the object plane 101 form, for example, a substantially regular field, with distances between adjacent point locations 5 being, for example, 1 µm, 10 µm, or 40 µm. The field formed by the point locations 5 can, for example, have a rectangular or hexagonal symmetry.
Das zu untersuchende Objekt 7 kann von einer beliebigen Art sein, beispielsweise ein Halbleiterwafer oder eine biologische Probe, und es kann eine Anordnung miniaturisierter Elemente oder dergleichen umfassen. Die Oberfläche 15 des Objekts 7 ist in der Objektebene 101 der Objektivlinse 102 angeordnet. Die Objektivlinse 102 kann eine oder mehrere elektronenoptische Linsen umfassen. Es kann sich beispielsweise um eine magnetische Objektivlinse und/oder eine elektrostatische Objektivlinse handeln.The object 7 to be examined can be of any type, for example a semiconductor wafer or a biological sample, and it can comprise an array of miniaturized elements or the like. The surface 15 of the object 7 is located in the object plane 101 of the objective lens 102. The objective lens 102 can comprise one or more electron-optical lenses. It can be, for example, a magnetic objective lens and/or an electrostatic objective lens.
Die auf das Objekt 7 treffenden Primärteilchen 3 generieren Wechselwirkungsprodukte wie beispielsweise Sekundärelektronen, Rückstreuelektronen oder Primärteilchen, die aus anderweitigen Gründen eine Bewegungsumkehr erfahren haben, welche von der Oberfläche des Objekts 7 oder von der ersten Ebene 101 bzw. Objektebene 101 ausgehen. Die von der Oberfläche 15 des Objekts 7 ausgehenden Wechselwirkungsprodukte werden durch die Objektivlinse 102 zu sekundären Teilchenstrahlen 9 geformt. Dabei durchsetzen die Sekundärstrahlen 9 nach der Objektivlinse 102 die Strahlweiche 400 und werden einem Projektionssystem 200 zugeführt. Das Projektionssystem 200 verfügt über ein Abbildungssystem 205 mit Projektionslinsen 206, 208 und 210, eine Kontrastblende 214 und einen Multi-Teilchendetektor 207. Auftrefforte 25 der zweiten Einzel-Teilchenstrahlen 9 auf Detektionsbereiche des Multi-Teilchendetektors 207 liegen in einem dritten Feld mit einem regelmäßigen Abstand zueinander. Beispielhafte Werte sind 10 µm, 100 µm und 200 µm.The primary particles 3 striking object 7 generate interaction products such as secondary electrons, backscattered electrons, or primary particles that have undergone a reversal of motion for other reasons. These products originate from the surface of object 7 or from the first plane 101 or object plane 101. The interaction products emanating from the surface 15 of object 7 are shaped into secondary particle beams 9 by the objective lens 102. After passing through the objective lens 102, the secondary beams 9 pass through the beam splitter 400 and are directed to a projection system 200. The projection system 200 comprises an imaging system 205 with projection lenses 206, 208, and 210, a contrast diaphragm 214, and a multi-particle detector 207. The impact points 25 of the second single-particle beams 9 on the detection areas of the multi-particle detector 207 are located in a third field at regular intervals. Exemplary values are 10 µm, 100 µm, and 200 µm.
Das Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 weist des Weiteren ein Computersystem oder eine Kontrolleinheit oder Steuerung 10 auf, die ihrerseits einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein kann, und das bzw. die sowohl zur Steuerung der einzelnen teilchenoptischen Komponenten des Vielstrahl-Teilchenmikroskops 1 ausgebildet ist als auch zur Auswertung und Analyse der mit dem Multi-Detektor 207 bzw. der Detektionseinheit gewonnenen Signale.The multi-beam particle microscope 1 further comprises a computer system or control unit or controller 10, which in turn is a single unit or may be designed in multiple parts, and which is designed both for controlling the individual particle-optical components of the multi-beam particle microscope 1 and for evaluating and analyzing the signals obtained with the multi-detector 207 or the detection unit.
Die erfindungsgemäße Strahlenerzeugungsvorrichtung kann in das in
Weitergehende Informationen zu solchen Vielstrahl-Teilchenstrahlsystemen bzw. Vielstrahl-Teilchenmikroskopen 1 und darin eingesetzten Komponenten, wie etwa Teilchenquellen, Multiaperturplatte und Linsen, kann aus den internationalen Patentanmeldungen
Die Anodenelektrode 354 kann relativ zum Strahlkopf 366 verschoben werden, und zwar sowohl in z-Richtung als auch in einer Ebene orthogonal zur teilchenoptischen Achse Z.The anode electrode 354 can be moved relative to the beam head 366, both in the z-direction and in a plane orthogonal to the particle-optical axis Z.
Im Betrieb der Strahlerzeugungsvorrichtung 300 bzw. im Betrieb des zugehörigen Vielzahl-Teilchenstrahlsystems 1 liegt zwischen der Kathodenspitze 351 und der Extraktorelektrode 353 eine Extraktionsspannung von beispielsweise einigen kV an, beispielsweise etwa +/- 2kV, +/- 3kV, +/- 4kV oder +/- 5kV.During operation of the beam generating device 300 or during operation of the associated multi-particle beam system 1, an extraction voltage of, for example, a few kV is applied between the cathode tip 351 and the extractor electrode 353, for example, approximately +/- 2kV, +/- 3kV, +/- 4kV or +/- 5kV.
Zwischen der Kathodenspitze 351 und der Anodenelektrode 354 liegt im Betrieb eine Beschleunigungsspannung von einigen 10kV an, beispielsweise +/- 10 kV, +/- 25kV, +/- 27kV, +/- 30kV, +/- 35kV, +/- 40kV oder deutlich mehr, beispielsweise bis hin zu +/- 300kV. Dabei ist es bevorzugt so, dass die Anodenelektrode 354 auf Erdpotential liegt oder nur mit einer Niederspannung beaufschlagt ist, während am Teilchenemitter 350 die eigentliche Hochspannung anliegt.Between the cathode tip 351 and the anode electrode 354, an accelerating voltage of several tens of kV is applied during operation, for example, ±10 kV, ±25 kV, ±27 kV, ±30 kV, ±35 kV, ±40 kV or significantly higher, for example up to ±300 kV. Preferably, the anode electrode 354 is at ground potential or is only subjected to a low voltage, while the actual high voltage is applied to the particle emitter 350.
Zwischen der optional vorgesehenen Suppressorelektrode 356 und dem Teilchenemitter 350 liegt im Betrieb der Strahlerzeugungsvorrichtung 300 eine Suppressorspannung an, die beispielsweise einige 100 Volt betragen kann, z. B. +/- 200V, +/- 300V, +/- 400V, +/- 500V oder +/- 600V.During operation of the beam generation device 300, a suppressor voltage is applied between the optionally provided suppressor electrode 356 and the particle emitter 350, which can be, for example, several hundred volts, e.g. +/- 200V, +/- 300V, +/- 400V, +/- 500V or +/- 600V.
In
Im gezeigten Beispiel weist die Kugelkalotte der Extraktorelektrode 353 einen Kugelmittelpunkt ME auf, dessen Position der Position der Kathodenspitze 351 entspricht. Das elektrische Feld zwischen Kathodenspitze 351 und der dem Teilchenemitter 350 zugewandten Oberfläche der Extraktorelektrode 353 bildet also an der Kathodenspitze 351 ein isotropes elektrisches Feld aus. Die von der Spitze 351 emittierten geladenen Teilchen befinden sich also im Feld einer Kugellinse, das geometriebedingt frei von sphärischen Aberrationen ist. Deswegen ist es möglich, einen größeren Aperturbereich von der Teilchenquelle 351 zu nutzen als bei der in
Für eine Größe dA der Öffnung 355 der Anodenelektrode 354 kann im gezeigten Beispiel folgende Relation gelten: dA ≥ 180µm bevorzugt dA ≥ 200µm und höchst bevorzugt dA ≥ 220µm. Zusätzlich oder alternativ kann für einen Gesamtstrahlstrom Ig, der im Betrieb die Öffnung 355 der Anodenblende 354 durchsetzt, die folgende Relation gelten: Ig ≥ 1µA oder Ig ≥ 10µA oder Ig ≥ 100µA.For a size dA of the opening 355 of the anode electrode 354, the following relationship can apply in the example shown: dA ≥ 180 µm, preferably dA ≥ 200 µm, and most preferably dA ≥ 220 µm. Additionally or alternatively, for a total beam current Ig passing through the opening 355 of the anode aperture 354 during operation, the following relationship can apply: Ig ≥ 1 µA, Ig ≥ 10 µA, or Ig ≥ 100 µA.
Zusätzlich oder alternativ kann für einen minimalen Abstand dKA zwischen der Kathodenspitze 351 und der Anodenelektrode 354 folgende Relation gelten: 5,0mm ≤ dKA ≤ 14,0mm, bevorzugt 6,0mm ≤ dKA ≤ 11,0mm oder höchst bevorzugt 7,5mm ≤ dKA ≤ 9,5mm. Der minimale Abstand dKA zwischen der Kathodenspitze 351 wird in
Die Kugelkalotte der Suppressorelektrode 356 weist im gezeigten Beispiel einen Radius rS auf, die Extraktorelektrode 353 weist im gezeigten Beispiel einen Radius rE auf. Des Weiteren weist die Kugelkalotte der Suppressorelektrode einen Kugelmittelpunkt MS auf und die Extraktorelektrode 353 weist eine Kugelmittelpunkt ME auf. Die Positionen der beiden Kugelmittelpunkte MS und ME stimmen miteinander überein. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung fallen aber natürlich die beiden Kugelmittelpunkte MS und ME nicht mehr mit der Position der Kathodenspitze 351 zusammen. Dennoch ist das zwischen der Suppressorelektrode 356 und der Extraktorelektrode 353 gebildete elektrostatische Feld das Feld einer Kugellinse und die Feldlinien stehen jeweils senkrecht auf den Oberflächen auf den Elektroden 353 und 356. Die beiden sphärisch ausgebildeten Elektroden 353 und 356 werden im gezeigten Beispiel mit einer nicht-sphärisch ausgebildeten Anodenelektrode 354 kombiniert. Die an der Strahlerzeugungsvorrichtung 300 anliegenden Spannungen entsprechen im Wesentlichen den Spannungen, die beispielhaft in Zusammenhang mit
Es ist allgemein möglich, die Unterschiede zwischen den einzelnen Radien der Kugelkalotten zu variieren, die Unterschiede könnten aber auch bzw. die Abstände zwischen den einzelnen Schalen können auch konstant gehalten werden. Gesichtspunkte bei der konkreten Auslegung der Strahlerzeugungsvorrichtung können Stabilisierungsfragen der anliegenden Hochspannungen und die Durchschlagsfestigkeit zwischen den Kugelschalen-förmigen Elektroden sein.It is generally possible to vary the differences between the individual radii of the spherical caps, but these differences, or the distances between the individual caps, could also be kept constant. Considerations in the specific design of the beam generation device can include stabilization of the applied high voltages and the dielectric strength between the spherical cap electrodes.
Bei den in
Entsprechend ist im Ausführungsbeispiel gemäß
Sowohl hinsichtlich des Teilchendurchtrittsbereichs 365 in
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nicht einschränkend für die Erfindung zu verstehen. Stattdessen dienen sie nur dem besseren Verständnis der Erfindung.The embodiments of the invention described above are not to be understood as limiting the invention. Instead, they serve only to improve understanding of the invention.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Vielzahl-Teilchenstrahlsystem, Vielstrahl-TeilchenmikroskopMulti-beam particle system, multi-beam particle microscope
- 33
- primäre Teilchenstrahlen, erste Einzel-Teilchenstrahlenprimary particle beams, first single-particle beams
- 55
- Strahlflecken, AuftrefforteRay spots, points of impact
- 77
- Objekt, Probe, Waferobject, sample, wafer
- 99
- sekundäre Teilchenstrahlen, zweite Einzel-Teilchenstrahlensecondary particle beams, second single-particle beams
- 1010
- Computersystem, SteuerungComputer system, control
- 1515
- Probenoberfläche, WaferoberflächeSample surface, wafer surface
- 2525
- Bildpunkt eines zweiten Einzel-Teilchenstrahlspixel of a second single-particle beam
- 101101
- ObjektebeneObject level
- 102102
- Objektivlinseobjective lens
- 103103
- FeldlinseField lens
- 105105
- Achseaxis
- 108108
- Strahlüberkreuzung, Cross-OverBeam crossing, crossover
- 200200
- DetektorsystemDetector system
- 205205
- ProjektionslinsensystemProjection lens system
- 206206
- ProjektionslinseProjection lens
- 207207
- Multi-TeilchendetektorMulti-particle detector
- 208208
- ProjektionslinseProjection lens
- 210210
- ProjektionslinseProjection lens
- 212212
- Strahlüberkreuzung, Cross-OverBeam crossing, crossover
- 214214
- Aperturfilter, KontrastblendeAperture filter, contrast aperture
- 222222
- Kollektives Anti-DeflektionssystemCollective anti-deflection system
- 300300
- StrahlerzeugungsvorrichtungBeam generating device
- 303303
- Kollimationslinsensystem, KondensorlinsensystemCollimation lens system, condenser lens system
- 304304
- Multiaperturplatte, FilterplatteMulti-aperture plate, filter plate
- 305305
- Vielstrahl-Teilchengeneratormulti-beam particle generator
- 306306
- MultiaperturplatteMulti-aperture plate
- 307307
- FeldlinseField lens
- 308308
- FeldlinseField lens
- 309309
- TeilchenstrahlParticle beam
- 311311
- Beleuchtender TeilchenstrahlIlluminating particle beam
- 321321
- ZwischenbildebeneIntermediate image plane
- 323323
- StrahlfokiBeam focus
- 350350
- TeilchenemitterParticle emitter
- 351351
- Kathodenspitzecathode tip
- 352352
- geladener Teilchenstrahlcharged particle beam
- 353353
- ExtraktorelektrodeExtractor electrode
- 354354
- Anodenelektrodeanode electrode
- 355355
- singuläre Öffnung der Anodenelektrodesingular opening of the anode electrode
- 356356
- Suppressorelektrodesuppressor electrode
- 357357
- ebener Frontbereich der Extraktorelektrodeflat front area of the extractor electrode
- 358358
- singuläre Öffnung der Extraktorelektrodesingular opening of the extractor electrode
- 359359
- ebener Frontbereich der Suppressorelektrodeflat front area of the suppressor electrode
- 360360
- singuläre Öffnung der Suppressorelektrodesingular opening of the suppressor electrode
- 361361
- KondensorelektrodeCondenser electrode
- 362362
- Anoden-nahe Oberflächesurface near the anode
- 363363
- Extraktor-nahe OberflächeExtractor-near surface
- 364364
- Extraktor-ferne Oberflächeextractor-remote surface
- 365365
- TeilchendurchtrittsbereichParticle passage area
- 366366
- StrahlkopfBeam head
- 367367
- Anoden-ferne OberflächeAnode-distant surface
- 400400
- Strahlweiche, MagnetanordnungBeam switch, magnet arrangement
- 500500
- Scan-AblenkerScan distractor
- 600600
- Verfahrtisch oder PositioniereinrichtungMoving table or positioning device
- xx
- RichtungDirection
- yy
- RichtungDirection
- zz
- RichtungDirection
- ZZ
- Teilchenoptische AchseParticle optical axis
- rEre
- Radius ExtraktorelektrodeRadius extractor electrode
- rArA
- Radius AnodenelektrodeRadius of anode electrode
- rSrS
- Radius SuppressorelektrodeRadius suppressor electrode
- rKrK
- Radius KondensorelektrodeRadius condenser electrode
- MEME
- Kugelmittelpunkt der ExtraktorelektrodeSpherical center of the extractor electrode
- MAMA
- Kugelmittelpunkt der AnodenelektrodeSpherical center of the anode electrode
- MSMS
- Kugelmittelpunkt der SuppressorelektrodeSpherical center of the suppressor electrode
- MKMK
- Kugelmittelpunkt der KondensorelektrodeSpherical center of the condenser electrode
- dSEdSE
- Abstand zwischen Suppressorelektrode und ExtraktorelektrodeDistance between suppressor electrode and extractor electrode
- dAdA
- Durchmesser AnodenöffnungAnode opening diameter
- dKAdKA
- Abstand Kathodenspitze zu AnodenelektrodeDistance between cathode tip and anode electrode
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- 2025-06-26 WO PCT/EP2025/068063 patent/WO2026012760A1/en active Pending
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| WO2026012760A1 (en) | 2026-01-15 |
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