CN115732296A - 粒子束装置、操作粒子束装置的方法以及计算机程序产品 - Google Patents

粒子束装置、操作粒子束装置的方法以及计算机程序产品 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种粒子束装置(1)，该粒子束装置具有粒子源(11)、提取孔阑(13)、阳极孔阑(14)和束管(23)。该粒子束装置(1)的驱动器***被配置为向该提取孔阑(13)施加提取孔阑电势(φExt)，向该阳极孔阑(14)施加能够以可变方式设置的阳极孔阑电势(φA)，并且向该束管(23)施加束管电势(φL)。该粒子束装置(1)的控制器被配置为控制该驱动器***，使得该提取孔阑(13)与该阳极孔阑(14)之间的电压能够以可变方式来设置，因此穿过该阳极孔阑(14)的孔径(14')的该粒子束(3)的电流强度能够以可变方式来设置。

Description

粒子束装置、操作粒子束装置的方法以及计算机程序产品
技术领域
本发明涉及一种粒子束装置，即一种生成带电粒子束(粒子束)的装置，涉及一种用于操作该粒子束装置的方法，并且涉及一种使计算机能够执行该方法的计算机程序产品。特别地，该粒子束的带电粒子是电子或离子。例如，该粒子束装置是显微镜，特别是扫描电子显微镜。本发明具体地涉及最大化能够被供应给样品的粒子束的电流强度。
背景技术
在这样的粒子束装置中，需要能够将粒子束的电流强度设置为高值。除能够被引导到样品上的粒子束的最大可能电流强度之外，粒子束的电流强度的动态范围也是关键性能特征。动态范围表示粒子束的电流强度能够变化的值范围、以及在值范围内的设置选项的数量。粒子束装置的一些应用需要粒子束的高电流强度；其他应用需要粒子束的低电流强度。因此需要粒子束的电流强度的动态范围较高。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种粒子束装置以及一种用于操作该粒子束装置的方法，该粒子束装置适合于生成具有较高的最大电流强度且具有较高的粒子束电流强度动态范围的粒子束。
该目标是通过根据下文所述的粒子束装置以及用于控制粒子束装置的方法来实现的。下文还定义了这些主题的有利发展。
本发明的第一方面涉及一种粒子束装置，包括：粒子源，该粒子源用于提供带电粒子；提取孔阑，该提取孔阑具有孔径；驱动器***，该驱动器***被配置为向该提取孔阑施加提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000011
从而由这些带电粒子形成穿过该提取孔阑的孔径的粒子束；阳极孔阑，该阳极孔阑布置在该提取孔阑下游并且具有孔径，该粒子束在操作期间被引导到该孔径上；其中，该驱动器***还被配置为向该阳极孔阑施加能够以可变方式设置并且不同于该提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000021
的阳极孔阑电势
Figure BDA0003819567450000022
束管，该束管布置在该阳极孔阑下游并且具有入口孔径，该粒子束在操作期间通过该入口孔径进入该束管；其中，该驱动器***还被配置为向该束管施加不同于该阳极孔阑电势
Figure BDA0003819567450000023
的束管电势
Figure BDA0003819567450000024
控制器，该控制器被配置为控制该驱动器***，使得该提取孔阑与该阳极孔阑之间的电压能够以可变方式来设置；其中，该提取孔阑的孔径与该阳极孔阑的孔径彼此相匹配，使得穿过该阳极孔阑的孔径的该粒子束的电流强度能够通过改变该提取孔阑与该阳极孔阑之间的电压以可变方式来设置。
例如，粒子源是提供束缚电子的阴极。提取孔阑用于例如分离在场发射过程中被束缚在阴极中的电子并且从而生成自由电子。为了这个目的，向提取孔阑施加提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000025
这个提取孔阑电势不同于向粒子源(阴极)施加的粒子源电势
Figure BDA0003819567450000026
因此，在阴极与提取孔阑之间生成足够强以将束缚在阴极中的电子与阴极分离的电场。在下文进一步给出设置提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000027
的特定示例。粒子束(电子束)由自由电子形成。
然而，粒子源还可以是提供离子的离子源。
提取孔阑具有被称为孔径的开口。孔径由提取孔阑限定且定界。例如，提取孔阑可以是金属板。在操作期间，带电粒子穿过提取孔阑的孔径，从而形成粒子束。
在本说明书中，“第一对象布置在第二对象上游”并且“第二对象布置在第一对象下游”各自意味着第一对象沿着粒子束的传播方向布置在第二对象前面。相应地，粒子束首先到达第一对象的位置，并且然后到达第二对象的位置。术语“上游”还可以意味着“与粒子束的传播方向相反”。术语“下游”还可以意味着“沿着粒子束的传播方向”。
阳极孔阑布置在提取孔阑下游。这意味着由粒子源提供的粒子首先穿过提取孔阑，并且然后撞击阳极孔阑或穿过阳极孔阑的孔径。撞击阳极孔阑本身的粒子束的粒子被阳极孔阑阻挡并且无法穿过阳极孔阑。被引导到阳极孔阑的孔径上的粒子束的粒子被阳极孔阑阻挡并且能够通过孔径穿过阳极孔阑。
驱动器***使得可以向提取孔阑和阳极孔阑施加能够以可变方式设置的不同电势。这使得可以在提取孔阑与阳极孔阑之间生成对粒子束起作用的可变电场。电场(例如由于提取孔阑和阳极孔阑的几何结构，其中这些提取孔阑和阳极孔阑被定向为基本上平行于彼此)例如基本上平行于粒子束装置的中心轴线起作用。电场的方向和强度能够根据提取孔阑与阳极孔阑之间的电压以可变方式来设置，这个电压由提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000031
和阳极孔阑电势
Figure BDA0003819567450000032
定义并且能够由控制器通过控制驱动器***以可变方式来设置。这意味着电场的强度能够通过来自控制器的控制信号以有针对性的方式设置为大量不同的值。
因此，可以根据提取孔阑与阳极孔阑之间的电压(即根据提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000033
与阳极孔阑电势
Figure BDA0003819567450000034
之间的电压)加速或制动粒子束的粒子，具体来说，对每个粒子进行不同程度的加速和制动。
由于在提取孔阑与阳极孔阑之间对粒子束的粒子的加速或制动，粒子束的发散角也改变。因此，每单位时间和每单位面积穿过阳极孔阑的孔径的粒子的位置相关数量(即阳极孔阑的孔径中的局部电流强度)也改变。因此，能够穿过阳极孔阑的孔径的电流强度以及因此能够被引导到样品上的最大电流强度可以经由提取孔阑与阳极孔阑之间的电压来设置。
根据一个实施例，为了这个目的，提取孔阑的孔径与阳极孔阑的孔径彼此相匹配，使得穿过阳极孔阑的孔径的粒子束的粒子与被阳极孔阑阻挡的粒子束的粒子的比率能够通过改变提取孔阑与阳极孔阑之间的电压以可变方式来设置。该比率由被除数和除数定义。被除数表示粒子束的粒子的未被阳极孔阑阻挡并且穿过阳极孔阑的孔径的部分。除数表示粒子束的粒子的被阳极孔阑阻挡并且未穿过阳极孔阑的孔径的部分。相应地，阳极孔阑通过阻挡粒子束的一部分(其能够以可变方式来设置)来限制穿过阳极孔阑、穿过阳极孔阑的孔径的粒子束的电流强度。
通过示例，控制器包括其中控制驱动器***(即控制器控制驱动器***)使得提取孔阑与阳极孔阑之间的电压具有第一电压值的操作模式(即可以在这样的操作模式中操作控制器)。穿过阳极孔阑、穿过阳极孔阑的孔径的粒子束的电流强度相应地限制于第一值。
通过示例，控制器包括其中控制驱动器***使得提取孔阑与阳极孔阑之间的电压具有不同于第一电压值的第二电压值的另一操作模式(即可以在这样的另一操作模式中操作控制器)。穿过阳极孔阑、穿过阳极孔阑的孔径的粒子束的电流强度相应地限制于不同于第一值的第二值。
根据一个实施例，控制器被配置为控制驱动器***，使得提取孔阑与阳极孔阑之间的电压的绝对值(即
Figure BDA0003819567450000041
)至少是1kV。
当控制器通过控制驱动器***在提取孔阑和阳极孔阑处设置的电势是相同的时，未在提取孔阑与阳极孔阑之间生成电场(或场强度为零的电场)。相应地，不另外加速或制动粒子束的带电粒子。
提取孔阑和阳极孔阑特别地被布置成沿着中心轴线直接相邻。可以被施加以有针对性的方式受控制的电势的其他孔阑相应地未布置在提取孔阑与阳极孔阑之间。
驱动器***使得可以向阳极孔阑和束管施加能够以可变方式设置的不同电势。这使得可以在阳极孔阑与束管之间生成对粒子束起作用的电场。电场(例如由于阳极孔阑和束管的几何结构)例如基本上平行于粒子束装置的中心轴线起作用。电场的方向和强度能够根据阳极孔阑与束管之间的电压以可变方式来设置，这个电压由阳极孔阑电势
Figure BDA0003819567450000043
和束管电势
Figure BDA0003819567450000044
定义并且能够由控制器通过控制驱动器***以可变方式来设置。这意味着电场的强度能够通过来自控制器的控制信号以有针对性的方式设置为大量不同的值。
根据一个实施例，驱动器***还被配置为以可变方式来设置束管电势
Figure BDA0003819567450000045
这为控制粒子束提供进一步自由度，并且阳极孔阑与束管之间的电场能够通过改变束管电势
Figure BDA0003819567450000046
来改变。
根据一个实施例，控制器被配置为通过控制驱动器***生成阳极孔阑电势
Figure BDA0003819567450000047
和束管电势
Figure BDA0003819567450000048
使得粒子束的粒子在阳极孔阑与束管之间被制动。
根据一个实施例，控制器被配置为通过控制驱动器***生成阳极孔阑电势
Figure BDA0003819567450000049
和束管电势
Figure BDA00038195674500000410
使得粒子束的粒子在阳极孔阑与束管之间被加速。
根据一个实施例，提取孔阑、阳极孔阑和束管各自彼此电隔离，使得不同电势能够施加到提取孔阑、阳极孔阑和束管。
根据一个实施例，控制器被配置为控制驱动器***，使得阳极孔阑与束管之间的电压的绝对值(即
Figure BDA0003819567450000042
)至少是1kV。
阳极孔阑和束管特别地被布置成沿着中心轴线直接相邻。可以被施加以有针对性的方式受控制的电势的其他孔阑相应地未布置在阳极孔阑与束管之间。
根据一个实施例，提取孔阑与阳极孔阑距彼此的距离不同于零，并且小于4mm。在一个配置中，例如，距离是2mm。作为替代方案，距离可以大于4mm，例如是7mm。
根据一个实施例，提取孔阑的孔径与束管的入口孔径距彼此的距离至少是5mm和/或至多是20mm，优选地至多是14mm，更优选地至多是10mm。这意味着可使用相对较小的安装空间进行提取孔阑、阳极孔阑和束管的入口孔径的结构实施。从而可以在预先存在的结构中容易地实施本发明。因此，粒子束装置的另一结构不必相对于现有结构被显著地调适。
根据一个实施例，粒子束装置还包括：终止孔阑，该终止孔阑布置在束管下游并且具有孔径，粒子束在操作期间穿过该孔径；其中，驱动器***还被配置为向终止孔阑施加终止孔阑电势
Figure BDA0003819567450000056
其中，驱动器***被配置为生成束管电势
Figure BDA0003819567450000058
和终止孔阑电势
Figure BDA0003819567450000057
使得束管与终止孔阑之间的电压能够根据来自控制器的信号设置为不同值。从而可以设置粒子束的粒子在它们撞击样品之前的能量(即着陆能量)。
终止孔阑可以特别地与束管电隔离。终止孔阑可以是在粒子束撞击样品之前粒子束装置的沿着中心轴线的最后一个部件。因此，终止孔阑可以是粒子束在它撞击样品之前穿过的最后一个孔阑。
根据一个实施例，控制器被配置为通过控制驱动器***生成束管电势
Figure BDA0003819567450000059
和终止孔阑电势
Figure BDA00038195674500000510
使得粒子束的粒子在束管与终止孔阑之间被制动。
根据一个实施例，粒子束装置还包括：样品固持器，能够将样品定位在该样品固持器上；其中，驱动器***还被配置为向样品或样品固持器施加样品电势；其中，驱动器***被配置为生成终止孔阑电势
Figure BDA00038195674500000511
和样品电势
Figure BDA00038195674500000512
使得终止孔阑与样品之间或终止孔阑与样品固持器之间的电压能够根据来自控制器的信号设置为不同值。从而可以设置粒子束的粒子在它们撞击样品之前的能量(即着陆能量)。
根据一个实施例，驱动器***还被配置为向粒子源施加粒子源电势
Figure BDA00038195674500000514
下文给出粒子束装置的各个部件的电势和电压范围的几个特定示例，在这些范围内能够设置电位和电压。
向粒子源施加的粒子源电势
Figure BDA00038195674500000513
能够相对于接地(0V)设置在从-30kV到-100V的范围内。
提取孔阑与粒子源之间的电压(即提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000051
与粒子源电势
Figure BDA0003819567450000052
之间的差
Figure BDA0003819567450000053
)可以能够设置在从0.5kV到7kV的范围内。相应地，情况是这样的：
Figure BDA0003819567450000054
即提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000055
能够设置在从
Figure BDA0003819567450000061
到
Figure BDA0003819567450000062
的范围内。
向阳极孔阑施加的阳极孔阑电势
Figure BDA0003819567450000063
能够相对于接地(0V)设置在从-15kV到+15kV的范围内。
向束管施加的束管电势
Figure BDA0003819567450000064
能够相对于接地(0V)设置在从0kV到10kV的范围内。
向终止孔阑施加的终止孔阑电势
Figure BDA0003819567450000065
能够相对于接地(0V)设置在从-1kV到+1kV的范围内，特别是从-5kV到+5kV的范围内。例如，束管电势
Figure BDA0003819567450000066
与终止孔阑电势
Figure BDA0003819567450000067
之间的差被设置为在从0kV到10kV、特别是从0kV到15kV的范围内的值。
向样品或样品固持器施加的样品电势
Figure BDA00038195674500000623
能够相对于接地(0V)设置在从-1kV到+1kV的范围内，特别是从-5kV到+5kV的范围内。例如，终止孔阑电势
Figure BDA0003819567450000068
与样品电势
Figure BDA0003819567450000069
之间的差被设置为在从0kV到+5kV、特别是-5kV到+5kV的范围内的值。
上述值特别地适用于其中提取孔阑与阳极孔阑之间的距离相对较大(例如大于4mm，特别是大约7mm)的情况。
当提取孔阑与阳极孔阑之间的距离较小(例如小于4mm，特别是大约2mm)时，与上述配置不同的是，可以在从
Figure BDA00038195674500000610
到
Figure BDA00038195674500000611
特别是从
Figure BDA00038195674500000612
到
Figure BDA00038195674500000613
的范围内操作阳极孔阑电势
Figure BDA00038195674500000614
根据一个实施例，控制器还被配置为改变提取孔阑与阳极孔阑之间的电压并且在该过程中使提取孔阑电势
Figure BDA00038195674500000615
与粒子源电势
Figure BDA00038195674500000616
之间的电压保持基本上恒定以便使粒子源的发射峰值处的电场强度保持基本上恒定。为了在提取孔阑与阳极孔阑之间的电压发生改变之后立即使粒子源的发射峰值处的电场强度尽可能恒定，然而还可以规定稍微改变提取孔阑电势
Figure BDA00038195674500000617
与粒子源电势
Figure BDA00038195674500000618
之间的电压。在这种情况下，提取孔阑电势
Figure BDA00038195674500000619
与粒子源电势
Figure BDA00038195674500000620
之间的电压的改变比提取孔阑与阳极孔阑之间的电压的改变小(很多)。通过示例，提取孔阑电势
Figure BDA00038195674500000621
与粒子源电势
Figure BDA00038195674500000622
之间的电压的改变比提取孔阑与阳极孔阑之间的电压的改变小至少50(优选地至少200)倍。
根据一个实施例，控制器还被配置为改变提取孔阑与阳极孔阑之间的电压并且在该过程中使粒子源与样品之间或粒子源与样品固持器之间的电压保持恒定。
本文针对电势和电压指示的值是指带负电粒子(电子)的粒子束。在包括带正电粒子(离子)的粒子束的情况下，这些值以相反极性来适用。
本文针对电势指示的范围规格指示能够设置相应电势的范围。换句话说，驱动器***被配置为生成涵盖相应范围的所定义电势，并且控制器被配置为指示驱动器***生成对应电势。
根据一个实施例，粒子束装置还包括：多孔径孔阑，该多孔径孔阑布置在束管中在束管的入口孔径下游并且具有不同大小的多个相邻布置的孔径；以及偏转***，该偏转***被配置为使粒子束选择性地偏转到多孔径孔阑的孔径之一上。控制器被配置为驱动偏转***从而使粒子束偏转。
根据一个实施例，多孔径孔阑是压力级孔阑，位于多孔径孔阑上游的真空区与位于多孔径孔阑下游的真空区通过该压力级孔阑彼此分离。两个真空区维持不同真空并且通过压力级孔阑彼此空间上分离。在这种情况下，位于多孔径孔阑上游的真空区是束生成器的超高真空区。
根据一个实施例，粒子束装置具有粒子源和提取孔阑布置在其中的第一真空区，并且具有束管的入口孔径布置在其中的第二真空区。在操作期间，第一真空区和第二真空区维持不同真空。
根据一个实施例，阳极孔阑布置在第一真空区与第二真空区之间的交界面处。阳极孔阑在这里用作压力级孔阑。不同真空生成对压力级孔阑起作用的压力。然而，压力级孔阑被设计成耐受压力。
根据一个实施例，粒子束装置还包括布置在束管的入口孔径下游(并在多孔径孔阑下游)并且被配置为对进行聚焦粒子束进行聚焦(到样品上)的物镜。
本发明的第二方面涉及一种用于控制粒子束装置的方法。该方法包括以受控方式改变提取孔阑与阳极孔阑之间的电压，因此改变穿过阳极孔阑的孔径的粒子束的电流强度。该改变并不是任意的，而是受控制的。通过示例，受控制改变通过由控制器的处理器执行的程序来实施。该程序可以通过由控制器读取并处理的操作参数来指示改变，即控制器基于表示提取孔阑与阳极孔阑之间的电压改变的操作参数来控制驱动器***。
本发明的第三方面涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包含计算机可读指令，当在计算机上执行时，这些计算机可读指令促使计算机执行本文描述的方法之一。例如，计算机程序产品可以是计算机可读指令记录在其上的数据载体。然而，计算机程序产品还可以是存储在数据存储器中且能够通过数据通信从一个计算机传输到另一计算机的信号。
附图说明
下面参考附图更详细地解释本发明的实施例，在附图中：
图1示出了粒子束装置的示意性图示；
图2示出了粒子束装置的各个部件以及施加到这些部件的电势的示意性图示；
图3A示出了在第一操作模式中的粒子束装置的一部分的示意性图示；
图3B示出了在第二操作模式中的粒子束装置的该部分的示意性图示；以及
图3C示出了在第三操作模式中的粒子束装置的该部分的示意性图示。
具体实施方式
图1示出了粒子束装置1的示意性图示。在所展示的示例中，粒子束装置1是扫描电子显微镜。然而，粒子束装置1还可以是离子束柱，例如聚焦离子束***(FIB***)。粒子束装置1可以是粒子束***的一部分，该粒子束***可以包括具有共同工作区的多个这样的粒子束装置。
粒子束装置1包括被配置为提供带电粒子的粒子源11。可以向粒子源施加电势，这个电势在本文中被称为粒子源电势
Figure BDA0003819567450000081
(参见图2)。
粒子束装置1还包括被配置为防止由粒子源11热发射的粒子沿着中心轴线2向下游(即在样品4的方向上)移动的抑制电极12。抑制电极12特别地阻挡不是在粒子源11的发射峰值处发射而是在远高于发射峰值处发射的粒子。这是通过如下操作来实现的：以某种方式向抑制电极12施加不同于粒子源电势
Figure BDA0003819567450000082
的电势
Figure BDA0003819567450000083
以便在粒子源11与抑制电极12之间生成电场，该电场在很大程度上防止由抑制电极12上游的粒子源11发射的粒子对粒子束3产生影响，这将在后面进行描述。可以设置电场的强度，使得只有热发射的粒子被阻挡。
粒子束装置1还包括布置在粒子源11下游的提取孔阑13。可以向提取孔阑13施加电势，这个电势在本文中被称为提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000084
(参见图2)。生成提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000085
和粒子源电势
Figure BDA0003819567450000086
使得提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000087
与粒子源电势
Figure BDA0003819567450000088
之间的所得电压在粒子源11与提取孔阑13之间生成电场，这个电场从粒子源11提取带电粒子(这被称作场发射)。
提取孔阑13具有孔径13'(参见图2)，从粒子源11提取的带电粒子穿过该孔径。这些粒子形成在下游由粒子束装置1的另外部件操纵的粒子束3。
具有孔径14'的阳极孔阑14布置在提取孔阑13下游(参见图2)。在操作期间，将粒子束3引导到阳极孔阑14的孔径14'上。可以向阳极孔阑14施加电势，这个电势在本文中被称为阳极孔阑电势
Figure BDA0003819567450000091
(参见图2)。阳极孔阑电势
Figure BDA0003819567450000092
与提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000093
之间的所得电压在提取孔阑13与阳极孔阑14之间生成电场，该电场能够取决于方向和强度而加速或制动粒子束3的粒子，具体来说，对每个粒子进行不同程度的加速和制动。在后面参考图3A至图3C描述了关于操作和使用阳极孔阑14的进一步细节。
粒子源11和提取孔阑13布置在第一真空区V1中，在操作期间在该第一真空区中形成第一真空(超高真空)。第一真空例如通过第一壳体区段15、第二壳体区段16、阳极孔阑14和未展示的抽空真空区V1的泵来建立。第一壳体区段15被设计为例如电导体，然而第二壳体区段16是电绝缘体。
粒子束装置1还包括布置在阳极孔阑14下游的束管23。在图1中示出的示例中，沿着粒子束装置1的中心轴线2观看，束管23大约从阳极孔阑14延伸到物镜30的内部中。束管23包括具有中空内部24的管状主体，该管状主体具有在阳极孔阑14侧的入口孔径23'以及在相反侧的出口孔径23"(参见图2)。在操作期间，来自阳极孔阑14的粒子束3穿过入口孔径23'进入束管23的内部24，穿过束管23的内部24，并且通过出口孔径23"离开束管23。
可以向束管23施加电势，这个电势在本文中被称为束管电势
Figure BDA0003819567450000096
(参见图2)。阳极孔阑电势
Figure BDA0003819567450000094
与束管电势
Figure BDA0003819567450000095
之间的所得电压在阳极孔阑14与束管23之间生成电场，该电场能够取决于方向和强度而加速或制动粒子束3的粒子，具体来说，对每个粒子进行不同程度的加速和制动。
在操作期间，粒子束装置1在束管23中具有第二真空区V2，在该第二真空区中形成与第一真空区V1中的第一真空不同的第二真空。束管的入口孔径23'位于第二真空区V2中，该第二真空区在图1中示出的示例中延伸到物镜30。第二真空区V2例如通过束管23、阳极孔阑14和未展示的抽空真空区V2的泵来建立。阳极孔阑14位于两个真空区V1与V2之间的交界面处，并且用作压力级孔阑。粒子束3穿过两个真空区V1与V2的交界面。
在图2中，提取孔阑13的孔径13'与束管23的入口孔径23'之间的距离D由双头箭头指示。在图2中，提取孔阑13与阳极孔阑14之间的距离E由双头箭头指示。提取孔阑13和阳极孔阑14需要相对较小的安装空间，这意味着距离D可以在5mm与20mm之间。例如，距离D至少是5mm和/或至多20mm，优选地至多是14mm，更优选地至多是10mm。
粒子束装置1还包括布置在束管23的中空内部24中的多孔径孔阑40。因此，多孔径孔阑40布置在束管23的入口孔径23'下游并在束管23的出口孔径23"上游。
多孔径孔阑40具有多个孔径41，这些孔径具有不同大小。孔径41彼此间隔开，使得这些孔径不重叠。在多孔径孔阑40布置在其中的平面(其垂直于中心轴线2)中，孔径41的大小在粒子束3的直径的范围内。因此，多孔径孔阑40适合于阻挡入射粒子束3的一部分，因此能够限制粒子束3的电流强度。取决于孔径41的大小，可以在不同程度上限制粒子束3的电流强度。这意味着孔径41被设计为使得多孔径孔阑40上游的粒子束3的电流强度大于紧接穿过多孔径孔阑40之后的粒子束3的电流强度。
然而，多孔径孔阑40还可以具有一个或多个孔径，这些孔径的大小足够大以使粒子束3的电流强度不变。当粒子束3穿过这样的孔径时，粒子束3的电流强度被另一孔阑、例如被阳极孔阑14有效地限制。在这种情况下，粒子束3在穿过多孔径孔阑40之后的电流强度不会减小。
如图1中所展示的，阳极孔阑14和多孔径孔阑40可以被定向为(基本上)平行于彼此，并且每一个都被定向为垂直于中心轴线2。
粒子束装置1还包括被配置为通过多孔径孔阑40的孔径41之一使粒子束3选择性地偏转的偏转***43，该粒子束已穿过阳极孔阑14且已通过入口孔径23'进入束管23。在图1中示出的示例中，偏转***43包括三个偏转单元44、45和46。偏转单元44至46中的每一个被配置为使粒子束3在径向方向上(即垂直于中心轴线2)偏转。使粒子束3偏转意味着改变粒子束3的方向。在图1中示出的示例中，偏转单元44至46包括线圈。偏转单元44至46被同步控制。偏转单元44至46的线圈布置在束管23外部。具有电作用的偏转单元还可以代替线圈形式的磁性偏转单元。
偏转单元44被配置为使粒子束3在入口孔径23'与多孔径孔阑40之间偏转。粒子束3从而可以选择性地被引导到(精确地)多孔径孔阑40的孔径41之一上。当粒子束3被引导到多孔径孔阑40的孔径41之一上并且在该过程中部分地撞击多孔径孔阑40本身时，粒子束3被多孔径孔阑40部分地阻挡，因此改变粒子束3的电流强度。因此，粒子束3的电流强度可以根据孔径41的大小设置为不同值。
在穿过多孔径孔阑40之后，粒子束3再次通过其他偏转单元45和46来偏转并且从而被引导到物镜30上。偏转单元45和46被配置为使粒子束3在多孔径孔阑40与物镜30之间在径向方向上偏转。
多孔径孔阑40和偏转***43使得能够将粒子束3的电流强度设置为不同值。这产生了粒子束3的电流强度的动态范围。
粒子束装置1还包括被配置为生成用于在多孔径孔阑40与物镜30之间聚焦粒子束3的磁场的聚束透镜51。聚束透镜51包括用于引导磁场的磁芯52和用于生成磁场的励磁线圈53。磁芯52被设计成关于中心轴线2基本上旋转对称。例如，磁芯52是一体化设计。磁芯52完全布置在束管23外部。磁芯52沿着中心轴线2布置在阳极孔阑14下游。磁芯52被设计成使得由第一聚束透镜51生成的磁场主要在偏转单元45的有效区域的区中起作用。
聚束透镜51通过在多孔径孔阑40下游并在物镜30上游聚焦粒子束3来改变粒子束3的发散角。粒子束3的束直径(垂直于中心轴线2测量的)从而能够变化。特别地，粒子束3的束直径可以与物镜30的有效区域相适配。
粒子束装置1还包括布置在多孔径孔阑40下游并在聚束透镜51的有效区域下游的物镜30。物镜30被配置为将粒子束3聚焦到定位在样品固持器5上的样品4上。为了这个目的，物镜30包括例如磁芯31和励磁线圈32。励磁线圈32被配置为生成由磁芯31引导的磁场。磁场在磁芯31的间隙33中离开磁芯31并且在被适当地激励时形成，使得磁场对粒子束3具有聚焦效应。在图1中示出的示例中，沿着粒子束装置1的中心轴线2观看，间隙33的位置与束管23的出口孔径23"大致齐平。
偏转***35被布置为沿着中心轴线2与物镜30齐平并且被配置为使粒子束3在径向方向上(即垂直于中心轴线2)偏转，从而以便于将粒子束3引导到样品4的表面的不同位置上。在图1中示出的示例中，偏转***35包括由线圈形成的两个偏转单元36和37。在图1中示出的示例中，偏转单元36和37的线圈布置在束管23与物镜30的磁芯31之间。两个偏转单元36和37以沿着中心轴线2分布的方式来布置。
粒子束装置1还包括布置在束管23下游并且具有孔径38'(参见图2)的终止孔阑38，粒子束3在操作期间穿过该孔径。可以向终止孔阑38施加电势，这个电势在本文中被称为终止孔阑电势
Figure BDA0003819567450000121
(参见图2)。生成终止孔阑电势
Figure BDA0003819567450000122
和束管电势
Figure BDA0003819567450000123
使得束管电势
Figure BDA0003819567450000124
与终止孔阑电势
Figure BDA0003819567450000125
之间的所得电压(即束管电势
Figure BDA0003819567450000126
与终止孔阑电势
Figure BDA0003819567450000127
之间的差)在终止孔阑38与束管23之间生成对粒子束3起作用的电场。电场(例如由于束管和终止孔阑的几何结构)例如基本上平行于中心轴线2起作用。电场的方向和强度能够根据束管23与终止孔阑38之间的电压以可变方式来设置，这个电压由终止孔阑电势
Figure BDA0003819567450000128
和束管电势
Figure BDA0003819567450000129
定义。这意味着电场的强度能够通过来自控制器的控制信号以有针对性的方式设置为大量不同的值。通过示例，设置束管23与终止孔阑38之间的电压，使得粒子束3的粒子被制动。这使得可以设置粒子束3的粒子在样品4上的着陆能量。
在图1中示出的示例中，终止孔阑38由磁芯31形成。然而，这仅仅是示例。终止孔阑38可以与磁芯31分离并且电隔离。
粒子束装置1还包括能够将样品4定位在其上的样品固持器5。可以向样品固持器5或样品4施加电势，这个电势在本文中被称为样品电势
Figure BDA00038195674500001218
(参见图2)。生成终止孔阑电势
Figure BDA00038195674500001221
和样品电势
Figure BDA00038195674500001220
使得终止孔阑电势
Figure BDA00038195674500001219
与样品电势
Figure BDA00038195674500001222
之间的所得电压在终止孔阑38与样品4之间生成对粒子束3起作用的电场。电场(例如由于终止孔阑和样品/样品固持器的几何结构)例如基本上平行于中心轴线2起作用。电场的方向和强度能够根据终止孔阑38与样品4/样品固持器5之间的电压以可变方式来设置，这个电压由终止孔阑电势
Figure BDA00038195674500001210
和样品电势
Figure BDA00038195674500001211
定义。这意味着电场的强度能够通过来自控制器的控制信号以有针对性的方式设置为大量不同的值。通过示例，设置终止孔阑38与样品4/样品固持器5之间的电压，使得粒子束3的粒子被制动。这使得可以设置粒子束3的粒子在样品4上的着陆能量。
粒子束装置1还包括驱动器***62。驱动器***62被配置为生成操作粒子束装置1的部件所需要的电势、电压和电流，并且将这些电势、电压和电流供应给这些部件。驱动器***62特别地生成粒子源电势
Figure BDA00038195674500001212
提取孔阑电势
Figure BDA00038195674500001213
阳极孔阑电势
Figure BDA00038195674500001214
束管电势
Figure BDA00038195674500001215
终止孔阑电势
Figure BDA00038195674500001216
和样品电势
Figure BDA00038195674500001217
并且还生成用于操作聚束透镜51和物镜30的电流。
为了这个目的，驱动器***62可以包括生成操作粒子束装置1的部件所需要的电势、电压和电流的一个或多个电压和电流源。线路63表示将电势、电压和电流从驱动器***62供应给粒子束装置1的各个部件所需要的所有电线路。仅示意性地展示了线路63。
粒子束装置1还包括用于控制驱动器***62的控制器61。控制器61从而可以以有针对性的方式设置操作粒子束装置1的部件所需要的各个电势、电压和电流，并且因此控制粒子束装置1的部件的操作和行动。需要由驱动器***62生成的各个电势、电压和电流的值可以在控制器61中由对应操作参数表示。例如，操作参数定义电势、电压或电流的值。
控制器61可以通过改变对应操作参数来改变粒子束装置1的部件的操作和效应。操作参数可以存储在控制器61的存储器中并且通过控制器61的处理器来改变。足以操作粒子束装置1的一组操作参数定义粒子束装置1的操作模式。定义多个不同操作模式的多组操作参数可以存储在控制器61的存储器中。相应地，控制器61可以以多个操作模式之一选择性地操作粒子束装置1。为了这个目的，控制器61从存储器加载选定操作模式的操作参数，并且指示驱动器***62根据所加载的操作参数来生成操作粒子束装置1的部件所需要的电势、电压和电流。用户可以使用用户接口(例如键盘、鼠标等)来改变操作模式的操作参数。在后面参考图3A至图3C描述了各种示例性操作模式。
通过示例，粒子束装置1被设计为图1中的粒子束显微镜。为了这个目的，粒子束装置1包括检测器6。检测器6的设计方式是具有孔径并且布置在束管23内部在物镜30上游的孔阑。来自粒子源11的粒子束3穿过检测器6中的孔径并且通过物镜30聚焦在样品4上。由于粒子束3与样品4之间的相互作用，样品4发射粒子。例如，由样品4发射的粒子可以是反向散射电子或二次电子。当粒子束装置1是离子束柱时，由样品4发射的粒子同样可以是反向散射离子或二次离子。由于粒子束3与样品4之间的相互作用，还可以发射并且检测到辐射(例如，形式为荧光、阴极射线发光等的光或者X射线辐射)。在图1的示例中，由样品4发射的带电粒子通过物镜30进入束管23并且取决于轨迹而由检测器6之一检测到。还可以使用其他类型的检测器。
下文参考图3A至图3C针对不同操作模式描述了阳极孔阑14的操作。在粒子束***1的部件之中，图3A仅示出了粒子源11、抑制电极12、提取孔阑13和阳极孔阑14以及施加到这些部件中的每一个的电势。
在图3A中示出的操作模式中，生成粒子源电势
Figure BDA0003819567450000141
和提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000142
使得由于粒子源电势
Figure BDA0003819567450000143
与提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000144
之间的电压而从粒子源11提取带电粒子。发散角θExt表示带电粒子轨迹之间的最大角度，这些带电粒子来自粒子源11(同一点，特别是该粒子源的峰值)并且能够穿过提取孔阑13、穿过提取孔阑13的孔径13'。
在图3A中示出的操作模式中，粒子束3的发散角θ在提取孔阑13下游不改变。这意味着阳极孔阑电势
Figure BDA0003819567450000145
和提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000146
是相同的，并且因此未在提取孔阑13与阳极孔阑14之间生成对粒子束3起作用的电场。因此，粒子束3的粒子的轨迹以直线形式从粒子源11延伸到阳极孔阑14，如由示例性轨迹3A所示出的。
通过示例，电势
Figure BDA0003819567450000147
和
Figure BDA0003819567450000148
在这个操作模式中具有以下值：
Figure BDA0003819567450000149
并且
Figure BDA00038195674500001410
如图3A中所示出的，粒子束3的粒子的已穿过提取孔阑13的部分II撞击阳极孔阑14。阳极孔阑14阻挡粒子束3的粒子的部分II。只有粒子束3的粒子的被引导到阳极孔阑14的孔径14'上的部分I穿过阳极孔阑14。这改变了阳极孔阑14上的粒子束3的电流强度。更确切地说，阳极孔阑14上的粒子束3的电流强度减小。
在图3B中示出的操作模式中，与在图3A中一样地生成粒子源电势
Figure BDA00038195674500001411
和提取孔阑电势
Figure BDA00038195674500001412
然而，与图3A的示例相比较，阳极孔阑电势
Figure BDA00038195674500001413
已经改变，使得在提取孔阑13与阳极孔阑14之间生成对粒子束3具有加速效应的电场。
通过示例，电势
Figure BDA00038195674500001414
和
Figure BDA00038195674500001415
在这个操作模式中具有以下值：
Figure BDA00038195674500001416
(例如，
Figure BDA00038195674500001417
Figure BDA00038195674500001418
并且
Figure BDA00038195674500001419
在本示例中，粒子束3的粒子被加速，因此在提取孔阑13与阳极孔阑14之间的粒子束3的发散角θ与图3A中示出的示例相比较而减小。因此还改变了阳极孔阑14的孔径14'中的粒子束的局部电流强度。更确切来说，阳极孔阑14的孔径14'中的粒子束3的局部电流强度与图3A中示出的示例相比较而增加。因此改变了穿过阳极孔阑14、穿过阳极孔阑14的孔径14'的粒子束3的电流强度。
换句话说，由于粒子束3的减小发散角θ，粒子束3的粒子的已穿过提取孔阑13但被阳极孔阑14阻挡的部分II减小，并且粒子束3的粒子的穿过提取孔阑13和阳极孔阑14的部分I增加。由于改变的阳极孔阑电势
Figure BDA00038195674500001510
穿过阳极孔阑14的孔径14'的粒子束3的粒子(部分I)与被阳极孔阑14阻挡的粒子束3的粒子(部分II)的比率已增加。
在图3C中示出的操作模式中，与在图3A和3B中一样地生成粒子源电势
Figure BDA0003819567450000151
和提取孔阑电势
Figure BDA0003819567450000152
然而，与图3A和图3B的示例相比较，阳极孔阑电势
Figure BDA0003819567450000153
已经改变，使得在提取孔阑13与阳极孔阑14之间生成对粒子束3具有制动效应的电场。
通过示例，电势
Figure BDA0003819567450000154
和
Figure BDA0003819567450000155
在这个操作模式中具有以下值：
Figure BDA0003819567450000156
(例如，
Figure BDA0003819567450000157
Figure BDA0003819567450000158
并且
Figure BDA0003819567450000159
在本示例中，粒子束3的粒子被制动，因此在提取孔阑13与阳极孔阑14之间的粒子束3的发散角θ与图3A中示出的示例相比较而增加。因此还改变了阳极孔阑14的孔径14'中的粒子束的局部电流强度。更确切来说，阳极孔阑14的孔径14'中的粒子束3的局部电流强度与图3A中示出的示例相比较而减小。因此改变了穿过阳极孔阑14、穿过阳极孔阑14的孔径14'的粒子束3的电流强度。
换句话说，由于粒子束3的增加发散角θ，粒子束3的粒子的已穿过提取孔阑13但被阳极孔阑14阻挡的部分II增加，并且粒子束的粒子的穿过提取孔阑13和阳极孔阑14的部分I减小。由于改变的阳极孔阑电势
Figure BDA00038195674500001511
穿过阳极孔阑14的孔径14'的粒子束3的粒子(部分I)与被阳极孔阑14阻挡的粒子束3的粒子(部分II)的比率已减小。
能够通过提取孔阑电势
Figure BDA00038195674500001512
和阳极孔阑电势
Figure BDA00038195674500001513
以可变方式设置的电场因此实现了粒子束3的电流强度的动态范围。因此，可以将通过孔径14'穿过阳极孔阑14的粒子束3的电流强度设置为除零以外的大量不同的值。

Claims (24)

1.一种粒子束装置(1)，包括：
粒子源(11)，该粒子源用于提供带电粒子；
提取孔阑(13)，该提取孔阑具有孔径(13')；
驱动器***(62)，该驱动器***被配置为向该提取孔阑(13)施加提取孔阑电势
Figure FDA0003819567440000011
从而由这些带电粒子形成穿过该提取孔阑(13)的孔径(13')的粒子束(3)；
阳极孔阑(14)，该阳极孔阑布置在该提取孔阑(13)下游并且具有孔径(14')，该粒子束(3)在操作期间被引导到该孔径上；
其中，该驱动器***(62)还被配置为向该阳极孔阑(14)施加能够以可变方式设置并且不同于该提取孔阑电势
Figure FDA0003819567440000012
的阳极孔阑电势
Figure FDA0003819567440000013
束管(23)，该束管布置在该阳极孔阑(14)下游并且具有入口孔径(23')，该粒子束(3)在操作期间通过该入口孔径进入该束管(23)；
其中，该驱动器***(62)还被配置为向该束管(23)施加不同于该阳极孔阑电势
Figure FDA0003819567440000014
的束管电势
Figure FDA0003819567440000015
控制器(61)，该控制器被配置为控制该驱动器***(62)，使得该提取孔阑(13)与该阳极孔阑(14)之间的电压能够以可变方式来设置；
其中，该提取孔阑(13)的孔径(13')与该阳极孔阑(14)的孔径(14')彼此相匹配，使得穿过该阳极孔阑(14)的孔径(14')的该粒子束(3)的电流强度能够通过改变该提取孔阑(13)与该阳极孔阑(14)之间的该电压以可变方式来设置。
2.根据权利要求1所述的粒子束装置(1)，其中，该提取孔阑(13)的孔径(13')与该阳极孔阑(14)的孔径(14')彼此相匹配，使得穿过该阳极孔阑(14)的孔径(14')的该粒子束(3)的粒子与被该阳极孔阑(14)阻挡的该粒子束(3)的粒子的比率能够通过改变该提取孔阑(13)与该阳极孔阑(14)之间的该电压以可变方式来设置。
3.根据权利要求1或2所述的粒子束装置(1)，其中，该控制器(61)被配置为通过控制该驱动器***(62)设置该提取孔阑(13)与该阳极孔阑(14)之间的该电压，使得该粒子束(3)的粒子在该提取孔阑(13)与该阳极孔阑(14)之间被加速。
4.根据权利要求1至3之一所述的粒子束装置(1)，其中，该控制器(61)被配置为控制该驱动器***(62)，使得该提取孔阑(13)与该阳极孔阑(14)之间的该电压的绝对值至少是1kV。
5.根据权利要求1至4之一所述的粒子束装置(1)，
其中，该驱动器***(62)还被配置为以可变方式来设置该束管电势
Figure FDA0003819567440000021
6.根据权利要求1至5之一所述的粒子束装置(1)，
其中，该控制器(61)被配置为通过控制该驱动器***(62)生成该阳极孔阑电势
Figure FDA0003819567440000022
和该束管电势
Figure FDA0003819567440000023
使得该粒子束(3)的粒子在该阳极孔阑(14)与该束管(23)之间被制动。
7.根据权利要求1至6之一所述的粒子束装置(1)，
其中，该控制器(61)被配置为通过控制该驱动器***(62)生成该阳极孔阑电势
Figure FDA0003819567440000024
和该束管电势
Figure FDA0003819567440000025
使得该粒子束(3)的粒子在该阳极孔阑(14)与该束管(23)之间被加速。
8.根据权利要求1至7之一所述的粒子束装置(1)，其中，该控制器(61)被配置为控制该驱动器***(62)，使得该阳极孔阑(14)与该束管(23)之间的电压的绝对值至少是1kV。
9.根据权利要求1至8之一所述的粒子束装置(1)，其中，该提取孔阑(13)的孔径(13')与该束管(23)的入口孔径(23')距彼此的距离(D)至少是5mm和/或至多是20mm，优选地至多是14mm，更优选地至多是10mm。
10.根据权利要求1至9之一所述的粒子束装置(1)，
其中，该提取孔阑电势
Figure FDA0003819567440000026
能够由该控制器(61)设置在从
Figure FDA0003819567440000027
Figure FDA0003819567440000028
到
Figure FDA0003819567440000029
的范围内，其中，
Figure FDA00038195674400000210
指示向该粒子源(11)施加的被称为粒子源电势的电势，
其中，该阳极孔阑电势
Figure FDA00038195674400000211
能够由该控制器(61)设置在从-15kV到+15kV的范围内，并且
其中，该束管电势
Figure FDA00038195674400000212
能够由该控制器(61)设置在从0kV到10kV的范围内。
11.根据权利要求10所述的粒子束装置(1)，
其中，该驱动器***(62)还被配置为向该粒子源(11)施加该粒子源电势
Figure FDA0003819567440000031
其中，该粒子源电势
Figure FDA0003819567440000032
能够由该控制器(61)设置在从-30kV到-100V的范围内。
12.根据权利要求10或11所述的粒子束装置(1)，
其中，该控制器(61)还被配置为改变该提取孔阑(13)与该阳极孔阑(14)之间的该电压并且在该过程中使该提取孔阑电势
Figure FDA0003819567440000033
与该粒子源电势
Figure FDA0003819567440000034
之间的电压保持基本上恒定。
13.根据权利要求10至12之一所述的粒子束装置(1)，还包括：
样品固持器(5)，能够将样品(4)定位在该样品固持器上；
其中，该驱动器***(62)还被配置为向该样品(4)或该样品固持器(5)施加样品电势
Figure FDA0003819567440000035
其中，该控制器(61)还被配置为改变该提取孔阑(13)与该阳极孔阑(14)之间的该电压并且在该过程中使该样品电势
Figure FDA0003819567440000036
与该粒子源电势
Figure FDA0003819567440000037
之间的电压保持恒定。
14.根据权利要求13所述的粒子束装置(1)，
其中，该样品电势
Figure FDA0003819567440000038
能够被设置在-1kV与+1kV之间，特别是在-5kV与+5kV之间。
15.根据权利要求1至14之一所述的粒子束装置(1)，还包括：
终止孔阑(38)，该终止孔阑布置在该束管(23)下游并且具有孔径(38')，该粒子束(3)在操作期间穿过该孔径；
其中，该驱动器***(62)还被配置为向该终止孔阑(38)施加终止孔阑电势
Figure FDA0003819567440000039
其中，该驱动器***(62)被配置为生成该束管电势
Figure FDA00038195674400000310
和该终止孔阑电势
Figure FDA00038195674400000311
使得该束管(23)与该终止孔阑(38)之间的电压能够根据来自该控制器(61)的信号设置为不同值。
16.根据权利要求15所述的粒子束装置(1)，
其中，该控制器(61)被配置为通过控制该驱动器***(62)生成该束管电势
Figure FDA00038195674400000312
和该终止孔阑电势
Figure FDA00038195674400000313
使得该粒子束(3)的粒子在该束管(23)与该终止孔阑(38)之间被制动。
17.根据权利要求15或16所述的粒子束装置(1)，
其中，该终止孔阑电势
Figure FDA00038195674400000314
能够被设置在-1kV与+1kV之间，特别是在-5kV与+5kV之间。
18.根据权利要求1至17之一所述的粒子束装置(1)，还包括：
多孔径孔阑(40)，该多孔径孔阑布置在该束管(23)中在该入口孔径(23')下游并且具有不同大小的多个相邻布置的孔径(41)；以及
偏转***(43)，该偏转***被配置为使该粒子束(3)选择性地偏转到该多孔径孔阑(40)的孔径(41)之一上。
19.根据权利要求18所述的粒子束装置(1)，其中，该多孔径孔阑(40)是压力级孔阑，位于该多孔径孔阑(40)上游的真空区与位于该多孔径孔阑(40)下游的真空区通过该压力级孔阑彼此分离。
20.根据权利要求1至19之一所述的粒子束装置(1)，
其中，该粒子束装置(1)具有第一真空区(V1)，该粒子源(11)和该提取孔阑(13)布置在该第一真空区中；
其中，该粒子束装置(1)具有第二真空区(V2)，该束管(23)的入口孔径(23')布置在该第二真空区中；并且
其中，在操作期间，该第一真空区(V1)和该第二真空区(V2)维持不同真空。
21.根据权利要求20所述的粒子束装置(1)，其中，该阳极孔阑(14)布置在该第一真空区(V1)与该第二真空区(V2)之间的交界面处。
22.根据权利要求1至21之一所述的粒子束装置(1)，还包括：
物镜(30)，该物镜布置在该束管(23)的入口孔径(23')下游并且被配置为对该粒子束(3)进行聚焦。
23.一种用于控制根据权利要求1至22之一所述的粒子束装置(1)的方法，该方法包括：
以受控方式改变该提取孔阑(13)与该阳极孔阑(14)之间的该电压，因此改变穿过该阳极孔阑(14)的孔径(14')的该粒子束(3)的电流强度。
24.一种计算机程序产品，该计算机程序产品包含计算机可读指令，当在计算机上执行时，这些计算机可读指令促使该计算机执行根据权利要求23所述的方法。
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