МИНИАТЮРНАЯ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Изобретение относится к области электронной оптики, а более конкретно к миниатюрным электронно-оптическим системам растровых (сканирующих) электронных микроскопов.
Известны миниатюрные электронно-оптические системы (ЭОС), выполненные на основе миниатюрных электростатических линз [1]. Основной особенностью миниатюрных электростатических линз является малые геометрические размеры (характерный диаметр отверстия для прохождения электронного пучка 0.2-0.5 мм, зазоры между электродами порядка 0.5 мм), малое фокусное расстояние (1-2 мм). Элементы линз выполнены преимущественно из кремния по технологии микроэлектроники. В результате расстояние от катода до объекта в миниатюрной ЭОС оказывается порядка 20-50 мм (для традиционных ЭОС на магнитных линзах это расстояние равно 400-800 мм), что и оправдывает термин миниатюрная ЭОС. Малое фокусное расстояние миниатюрных линз обеспечивает малые коэффициенты осевых аберраций и, следовательно, высокое качество электронных линз.
Сканирование электронного зонда в ЭОС проводится путем подачи пилообразного напряжения на дефлекторы, установленные в районе последней по ходу пучка формирующей линзы. Величина поля сканирования определяется произведением тангенса угла отклонения на расстояние от центра отклонения дефлектора до объекта. При увеличении угла отклонения возрастают аберрации. Поэтому допустимая величина аберраций ограничивает угол отклонения. Расстояние от центра отклонения до объекта близко к фокусному расстоянию формирующей линзы. Малое фокусное расстояние объективной линзы приводит к основному недостатку миниатюрной ЭОС для растрового электронного микроскопа - малой величине
поля сканирования электронного пучка на объекте исследования. Это затрудняет реализацию обзорных режимов сканирования в РЭМ и тем самым снижает его эксплуатационные характеристики.
Известны технические решения, выполненные в технологии магнитных электронных линз, позволяющие устранить этот недостаток. Это электронные магнитные линзы с перемещаемой (подвижной, наклонной или искривленной) оптической осью [2], в которых за счет специального согласования фокусирующего, отклоняющего и корректирующего (квадрупольного) магнитных полей удается создать условия, при которых возникает осесимметричное перемещаемое в пространстве поле формирующей линзы. Электронный пучок выводится на подвижную оптическую ось такой линзы при помощи дефлекторов. К сожалению, физически невозможно реализовать совмещенное фокусирующе-отклоняющее электростатическое поле, позволяющее реализовать полноценную электростатическую линзу с перемещаемой оптической осью.
Известно наиболее близкое техническое решение, выполненное в технологии магнитных электронных линз. Это "Электронно-лучевое устройство" [3], содержащее формирующую магнитную однополюсную линзу, расположенную на координатном столе и находящуюся вне вакуумной камеры с противоположной относительно электронной пушки стороны объекта исследования или обработки. Механическое перемещение формирующей линзы производится синхронно со сканированием электронного пучка по объекту, что позволяет увеличить поле сканирования.
Недостатками прототипа, во-первых, является то, что устройство позволяет изучать или обрабатывать только немагнитные объекты малой толщины. Во-вторых, физические характеристики существующих магнитных материалов не позволяют уменьшить размеры магнитной линзы до размеров, сопоставимых с размерами миниатюрной электростатической линзы. Поэтому в настоящее время в рамках технологии магнитных линз нельзя построить миниатюрную ЭОС, габариты и качество которой сопоставимо
с миниатюрной электростатической ЭОС. В-третьих, масса магнитной формирующей линзы в прототипе имеет порядок одного килограмма и больше. В результате оказывается невозможной реализация высоких скоростей развертки, необходимых в РЭМ. В-четвертых, в прототипе отсутствует датчик положения электронного пучка относительно оси формирующей линзы. Поэтому синхронизация величины угла отклонения электронного пучка и положения формирующей линзы может проводиться только разомкнутой системой управления. Это не обеспечивает точности синхронизации, необходимой в РЭМ.
В основу изобретения положено решение, позволяющее механически перемещать миниатюрную короткофокусную формирующую электростатическую линзу, размещенную между объектом исследования и катодом, относительно остальной части ЭОС синхронно с электронным пучком, сканируемым при помощи дефлектора. В результате устраняются ограничения на габариты и свойства объекта исследования и на скорость развертки, присущие прототипу. Кроме того, это приводит к увеличению поля сканирования электронного пучка на объекте по сравнению с величиной поля отклонения, достижимого в известных миниатюрных ЭОС [1].
Сущность изобретения поясняется на прилагаемом чертеже, где показана миниатюрная электронно-оптическая система.
Миниатюрная ЭОС содержит электронную пушку 1 с катодом 2, блок конденсорных линз 3, шарнир 4, дефлектор 5, формирующую линзу 6, датчик положения электронного пучка относительно оси формирующей линзы 7, микродвигатель 8 и объект исследования (обработки) 9. Центр поворота шарнира 4 и центр отклонения дефлектора 5 совмещены между собой.
Миниатюрная ЭОС работает следующим образом. Электронный пучок эмитируется катодом 2 и при помощи электродов электронной пушки 1 направляется в блок конденсорных линз 3, где формируется электронный пучок малого диаметра (электронный зонд). Микродвигатель 8 поворачивает
формирующую линзу 6 в шарнире 4 и устанавливает ее в необходимое положение, после чего дефлектор 5 перемещает электронный пучок на ось формирующей линзы 6 по сигналам датчика положения электронного пучка 7. В результате обеспечивается синхронное отклонение электронного пучка и формирующей линзы.
Допустим, что угол отклонения электронного пучка в предложенной миниатюрной ЭОС равен углу отклонения пучка в известной миниатюрной ЭОС [1]. Тогда при одинаковых фокусных расстояниях формирующих линз поле сканирования предложенной ЭОС превышает поле сканирования ЭОС [1] в М раз, где М отношение расстояний от центра отклонения дефлектора до объекта исследования. В известной миниатюрной ЭОС [1] это расстояние близко к фокусному расстоянию формирующей линзы. В предложенной миниатюрной ЭОС это расстояние теоретически сколь угодно велико.
Электроды миниатюрных электронных линз выполняются преимущественно из стандартных пластин кремния по технологии микроэлектроники [1]. Это позволяет получить электроды с диаметром отверстия для прохождения электронного пучка порядка 0.2-0.5 мм и внешними габаритными размерами 3-5 мм. Электронная линза собирается из нескольких таких электродов. В результате масса формирующей линзы с учетом элементов крепления не превышает единиц грамм, что и позволяет реализовать высокие скорости сканирования.
Известно большое количество типов датчиков положения электронного пучка. Для слаботочных электронных пучков, характерных для РЭМ, обычно применяется датчик, представляющий собой диафрагму с отверстием, разрезанную на несколько изолированных секторов, при этом центр отверстия диафрагмы совмещается с центром отверстия в линзе. Каждый сектор подключается к входу операционного усилителя и через нагрузочный резистор к земле. В результате напряжение, измеренное на секторе датчика относительно земли, пропорционально числу электронов пучка в
единицу времени, попавших на этот сектор. Если электронный пучок проходит точно через центр отверстия диафрагмы, то напряжения на всех секторах датчика, связанные с попаданием периферийных электронов пучка, окажется одинаковым. Равенство напряжений на секторах и принимается в качестве условия точного прохождения пучка через центр отверстия датчика и, следовательно, через центр отверстия (ось) формирующей линзы. Сигналы с датчика являются сигналами обратной связи для замкнутой системы управления сканированием электронного пучка при помощи дефлектора, что и позволяет с необходимой точностью синхронизировать перемещение электронного пуска и формирующей линзы.
Шарнир, соединяющий подвижную и неподвижную части ЭОС может быть выполнен или в виде шарового шарнира, или в виде упругого пружинного шарнира. Угол наклона оси формирующей линзы ЭОС на практике, как правило, не превышает единиц градуса.
В качестве дефлектора может быть использована электростатическая отклоняющая система любого типа, обеспечивающая отклонение пучка по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Центр отклонения дефлектора должен быть совмещен с центром шарнира. Это можно сделать, например, совместив с центром шарнира середину электродов отклоняющей системы цилиндрического типа. Можно выполнить дефлектор из двух одинаковых отклоняющих систем, размещенных симметрично с двух сторон от шарнира. Каждая отклоняющая система поворачивает пучок на половинный угол, при этом в результате их последовательного действия обеспечивается заданный угол отклонения пучка в дефлекторе. В этой схеме центр отклонения дефлектора также совмещен с центром шарнира.
В качестве микродвигателя может быть использован любой малогабаритный двигатель, позволяющий изменять угол наклона формирующей линзы и обладающей высокой скоростью перемещения. Например, можно использовать пьезодвигатель полоскового типа.
Сопоставительный анализ заявляемой миниатюрной электронно-оптической системы и прототипа показывает, что предлагаемое техническое решение соответствует критериям "патентоспособная новизна", "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".
Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволяет выделить совокупность признаков, отличающих заявляемое техническое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".
1. Chang T.H.P., Thompson G.R. at all.. Electron-beam microcolumns for lithography and related applications. // Journal Vacuum Science and Technology. В14, V6, 1996, pp.3774-3781.
2. Балашов В.Н. Электронная линза с подвижной оптической осью с нелинейной коррекцией аберраций. // Известия РАН. Сер. физическая, т.57, №8, 1993 г., с.115-117.
3. Гелевер В.Д. Электронно-лучевое устройство. Авторское свидетельство СССР №980560, кл. H 01 J 37/30, 1982 г. Опубликовано 30.01.85 г., бюллетень изобретений №4.