KR20050021005A - Charged particle beam generator - Google Patents

Abstract

전자의 소스는 근거리 현미경에서 이용되는 진공에서의 나노팁이다. 이온의 소스는 액체 금속 이온소스에서와 같은 액체 금속(갈륨)이 공급되는 진공에서의 유사한 나노팁이다. 이 나노미터 크기의 팁으로부터의 전자나 이온은 개구판 위로 팁을 집중시키고 적당한 전압을 팁에 인가함으로써 추출된다. 전자(이온)는 이 판을 통과하여, 마이크로스케일(또는 나노스케일) 원통형 렌즈를 이용하여 집속되기 전에 나노스케일/마이크로스케일 가속 칼럼을 이용하여 수keV까지 가속된다. 마지막 소자는 기구의 끝에서 수밀리미터 떨어져서 빔을 집속시킬 수 있는 수차 교정된 소형(또는 초소형) 에인젤 렌즈이다.The source of electrons is the nanotip in vacuum used in near-field microscopy. The source of ions is a similar nanotip in a vacuum supplied with liquid metal (gallium) as in a liquid metal ion source. Electrons or ions from this nanometer-sized tip are extracted by concentrating the tip over the aperture plate and applying the appropriate voltage to the tip. Electrons (ions) pass through this plate and are accelerated to several keV using a nanoscale / microscale acceleration column before focusing using a microscale (or nanoscale) cylindrical lens. The last element is an aberration corrected miniature (or tiny) angel lens that can focus the beam a few millimeters away from the end of the instrument.

Description

입자빔 발생기 {CHARGED PARTICLE BEAM GENERATOR}Particle Beam Generator {CHARGED PARTICLE BEAM GENERATOR}

본 발명은 집속된 입자빔(진공에서)의 발생에 관한 것으로, 특히 예컨대 SEM(scanning electron microscopy) 등의 현미경과, FIB(focussed ion beams)의 경우에는 이온빔 밀링(milling; 스퍼터링(sputtering)) 등의 직접 기록 기술, 전자빔의 경우에는 2차 중합이나 산화 등의 표면개질법(surface modification method)에 의해서 나노구조와 나노구조의 표면의 발생시의 나노리소그래피(nanolithography)에서의 나노기술에 이용하기 위한 전자빔과 이온 빔에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the generation of focused particle beams (in vacuum), in particular microscopes such as scanning electron microscopy (SEM) and ion beam milling (sputtering) in the case of focused ion beams (FIB). Direct recording technology for electron beams, electron beams for use in nanotechnology in nanolithography at the time of nanostructure and nanostructure surface generation by surface modification methods such as secondary polymerization or oxidation; It relates to an ion beam.

현미경에서 이용하기 위한 공지된 입자빔 발생기는 일반적으로 조명을 제공할 수 있는 입자소스를 갖추고 있다. 이것은 보통 전자나 이온 등의 입자가 비교적 강한 전기장, 즉 전계 방출소스의 적용에 의해 추출되는 뾰족한 팁(tip)이다. 혹은, 가열된 필라멘트(텅스텐 헤어핀(hairpin))가 소스로서 사용될 수도 있다. 그러나, 전계 방출소스는 비교적 높은 공간분해능의 영상처리(imaging)가 바람직한 응용에서 유리하게 이용된다. 또한, 소스는 보통 입자빔 에너지를 원하는 레벨까지 증대시키기 위해 전압 구동 입자 가속기를 갖추고 있다. 예컨대 자기렌즈를 갖춘 집속시스템(focusing system)은 물질표면상에 빔스폿을 형성시키기 위해 교차점에 가속입자를 집속시키도록 제어된다. 현미경의 경우에, 이 물질은 조사중인 시료일 것이다.Known particle beam generators for use in microscopes generally have a particle source capable of providing illumination. This is usually a sharp tip where particles such as electrons or ions are extracted by the application of a relatively strong electric field, i.e. a field emission source. Alternatively, heated filaments (tungsten hairpin) may be used as the source. However, field emission sources are advantageously used in applications where relatively high spatial resolution imaging is desired. In addition, the source is usually equipped with a voltage driven particle accelerator to increase the particle beam energy to the desired level. For example, a focusing system with magnetic lenses is controlled to focus the accelerating particles at the intersection to form beam spots on the material surface. In the case of a microscope, this material will be the sample under investigation.

SEM 등의 현미경의 경우, 시료 전체에 걸쳐 빔의 주사가 용이해지도록 1조의 코일이 사용된다. 이 시료는 대물렌즈의 필드 아래에 배치된 스테이지에 장착된다. 대물렌즈의 명세와 특성과 대물렌즈와 시료간의 거리, 즉 초점거리는 현미경의 분해능 한계를 지시한다. 2차 전자와 후방산란된 전자를 검출하는 검출시스템은 보통 대물렌즈 아래에 배치된다. 거출시스템의 위치가 현미경의 초점거리를 지시하여 짧은 초점거리가 유리하게 이용되는 것을 막는 공지된 근거리 현미경은 불리한 처지에 놓여지기 때문에 현미경에 의해 달성할 수 있는 최적의 분해능을 제한하게 된다.In the case of microscopes such as SEM, a set of coils is used to facilitate scanning of the beam over the entire sample. This specimen is mounted on a stage arranged below the field of the objective lens. The specification and characteristics of the objective lens and the distance between the objective lens and the sample, ie the focal length, dictate the resolution limits of the microscope. Detection systems for detecting secondary electrons and backscattered electrons are usually arranged under the objective lens. Known near-field microscopes, where the location of the harvesting system dictates the focal length of the microscope and prevents the short focal length from being used advantageously, are placed at a disadvantage and limit the optimal resolution achievable by the microscope.

이 집속된 스폿에서의 최종 빔스폿의 크기와 빔전류의 양은 이들 기구의 성능을 결정한다. 현미경의 경우, 빔스폿 크기는 기구의 효과적인 공간분해능이고, 나노리소그래피의 경우 이루어질 수 있는 최소 크기 특징을 결정한다. 상업적인 입자빔 발생기에 대한 기술의 현재 상태는 1nm 전자와 30nm 금속 이온빔이다.The size of the final beam spot and the amount of beam current at this focused spot determine the performance of these instruments. For microscopy, the beamspot size is the effective spatial resolution of the instrument and determines the minimum size feature that can be achieved for nanolithography. The current state of the art for commercial particle beam generators is 1 nm electrons and 30 nm metal ion beams.

현미경과 리소그래피에 있어서 입자빔 발생기가 현재 이용할 수 있는 것보다 큰 최적의 분해능을 가진 빔을 제공하도록 동작하는 것이 바람직하다. 특히, 입자빔 발생기가 현미경과 나노리소그래피에서 시료의 나노스케일 분석에 이용하는데 적당한 것이 바람직하다. 이러한 분해능은 필드의 현저한 깊이에서 원자 확인을 제공하고, 나노스케일 차원에서 표면 분석을 제공할 수 있다.For microscopy and lithography, it is desirable for the particle beam generator to operate to provide a beam with an optimal resolution that is greater than currently available. In particular, particle beam generators are preferably suitable for use in nanoscale analysis of samples in microscopy and nanolithography. This resolution can provide atomic identification at significant depths of field and provide surface analysis at the nanoscale dimension.

게다가, 공지된 기구에서 필요한 비교적 긴 초점거리는 그 거리에서 최적의 분해능을 달성하기 위해 비교적 높은 입자가속의 인가를 필요로 한다는 것은 불리하다. 그러나, 보다 높은 입자 가속전압은 상위 드레숄드에서 물질구조내의 비탄성 산란의 바람직하지 않은 증가를 야기시켜 검사되는 물질에 대해 방사선 장애를 야기시키게 된다. 현미경에 있어서, 비교적 높은 분해능을 갖는 비교적 낮은 에너지 빔은 복잡한 분자 구조가 분석될 수 있을 정도로 공지된 장치에 비해 감소된 비탄성 산란의 가능성을 제공한다.Moreover, it is disadvantageous that the relatively long focal lengths required in known instruments require the application of relatively high particle acceleration to achieve optimal resolution at that distance. However, higher particle acceleration voltages cause an undesirable increase in inelastic scattering in the material structure at higher thresholds, causing radiation disturbances for the material being inspected. For microscopy, relatively low energy beams with relatively high resolution offer the possibility of reduced inelastic scattering compared to known devices such that complex molecular structures can be analyzed.

따라서, 현재 이용할 수 있는 것보다 낮은 전압을 이용하여 가속화된 입자로 이루어진 빔을 제공할 수 있는 입자빔 발생기는 현미경과 리소그래피에서 바람직하다.Thus, particle beam generators that can provide a beam of particles accelerated using voltages lower than those currently available are desirable in microscopy and lithography.

SEM이 현미경의 예시로서 명확하게 상술되었을지라도, 독자는 예컨대 STM(Scanning Tunnelling Microscope), AFM(Atomic Force Microscope) 등의 다른 소위 근거리 현미경 기구가 존재한다는 것도 알아야 할 것이다.Although the SEM has been clearly described above as an example of a microscope, the reader should also know that other so-called near-field microscope instruments exist, such as, for example, Scanning Tunnelling Microscope (STM), Atomic Force Microscope (AFM).

따라서, 공지된 근거리 현미경 기구에 이용하는데 적당한 비교적 낮은 전압을 이용하여 가속화된 입자로 이루어진 나노스케일 차원 응용에 이용하는데 적당하고, 빔을 제공할 수 있는 입자빔 발생기가 바람직하다.Thus, a particle beam generator is desirable that is suitable for use in nanoscale dimensional applications consisting of particles accelerated using relatively low voltages suitable for use in known near microscope instruments and capable of providing a beam.

게다가, 이러한 근거리 현미경과 리소그래피 기구는 고가이기 때문에, 필드의 분해능과 깊이를 증가시키거나 또는 모든 기구를 바꾸지 않고 가속전압을 감소시키는 것이 바람직하다.In addition, since such near microscope and lithographic instruments are expensive, it is desirable to increase the resolution and depth of the field or to decrease the acceleration voltage without changing all the instruments.

또한, 공지된 현미경과 리소그래피 기구는 그 동작을 초래할 수 있는 진동에 약해서 진동을 덜 할 수 있는 현미경과 리소그래피 기구에 대해 바람직하기 때문에 불리해진다.Known microscopes and lithographic instruments are also disadvantageous because they are desirable for microscopes and lithographic instruments that are less susceptible to vibrations that can cause their operation.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 A-A에 따라 절단한 입자빔 발생기의 개략도이고,1 is a schematic diagram of a particle beam generator cut according to A-A according to a first embodiment of the present invention,

도 2는 도 1의 입자빔 발생기와 함께 이용하는데 적당한 제1스테이지 집속수단의 일례의 개략도,2 is a schematic diagram of an example of a first stage focusing means suitable for use with the particle beam generator of FIG.

도 3은 도 1의 입자빔 발생기와 함께 이용하는데 적당한 제2스테이지 집속수단과 도 2의 제1스테이지 집속수단의 일례의 개략도,3 is a schematic view of an example of a second stage focusing means and a first stage focusing means of FIG. 2 suitable for use with the particle beam generator of FIG.

도 4는 도 1의 입자빔 발생기와 도 2와 도 3 각각의 제1 및 제2스테이지 집속수단의 개략도,4 is a schematic view of the particle beam generator of FIG. 1 and the first and second stage focusing means of FIGS. 2 and 3, respectively;

도 5a와 도 5b는 본 발명의 제2실시예에 따른 입자빔 발생기의 개략도,5A and 5B are schematic views of a particle beam generator according to a second embodiment of the present invention;

도 6a와 도 6b는 본 발명의 제3실시예에 따른 입자빔 발생기의 개략도,6A and 6B are schematic views of a particle beam generator according to a third embodiment of the present invention;

도 7a와 도 7b는 본 발명의 제4실시예에 따른 입자빔 발생기와 시준수단을 나타낸 개략도,7A and 7B are schematic views showing a particle beam generator and a collimation means according to a fourth embodiment of the present invention;

도 8은 본 발명에 따른 입자빔 발생기를 갖춘 현미경 소자의 개략도,8 is a schematic view of a microscope device with a particle beam generator in accordance with the present invention;

도 9a 내지 도 9c는 시준수단의 개략도이다.9A to 9C are schematic views of the collimation means.

본 발명은 나노미터 기술에 이용하는데 적당하고, 입자소스에 인접하여 배치된 추출개구를 갖추고 입자빔을 형성하기 위해 이러한 소스로부터 추출개구로 입자를 추출할 수 있는 추출판과, 빔의 에너지를 증대시키도록 추출된 입자를 가속화시킬 수 있는 입자 가속수단 및, 입자빔을 시준할 수 있는 시준수단(collimating means)을 구비한 빔 발생기를 제공하고, 적어도 하나의 추출개구와 가속수단은 100nm보다 작은 직경의 거의 평행한 입자빔을 제공하기 위해 입자빔의 측면 팽창을 저지한다.The present invention is suitable for use in nanometer technology and has an extraction aperture disposed adjacent to a particle source and an extraction plate capable of extracting particles from such source to the extraction aperture to form a particle beam, and increasing the energy of the beam. And a beam generator having particle accelerating means capable of accelerating the extracted particles to collimate and collimating means capable of collimating the particle beam, wherein the at least one extraction aperture and accelerating means has a diameter of less than 100 nm. This impedes lateral expansion of the particle beam to provide a substantially parallel particle beam.

입자빔 발생기는 1nm보다 작은 직경의 집속된 입자빔을 측면에서 저지되는 입자빔으로부터 제공할 수 있는 집속수단을 더 갖추고 있다.The particle beam generator further has a focusing means capable of providing a focused particle beam of diameter smaller than 1 nm from a particle beam that is blocked from the side.

본 발명은 전기장에서의 입자 궤적의 스케일 불변성을 이용한다. 빔스폿의 절대크기는 기구의 능동소자의 전체 크기(특히 집속렌즈의 초점길이)에 비례한다. (소스부터 마지막 빔스폿까지의 순서로) 이들 소자는 입자빔의 측면 팽창을 저지시키기 위해 개별적으로나 공동으로 동작할 수 있는 입자소스와 가속수단이다. 이러한 입자빔 발생기는 초소형일 수 있고, 빔의 팽창을 저지하는 마이크로 기계화된 집속수단과 가속수단을 갖추고 있다. 따라서, 분해능은 보다 큰 기구에서보다 훨씬 작게 유지될 수 있다. 따라서, 스케일 100㎜에서 이루어진 디자인은 마이크로 기계보다 적어도 거의 100배 더 큰 빔스폿 크기를 가질 수 있다. 보다 큰 기구가 보다 큰 전압의 사용을 허용하여 보다 작은 빔스폿 크기를 초래할 수 있는 보다 큰 에너지로 빔을 가속화시킬지라도, 이것을 고려해 볼 때 초소형 디자인의 빔스폿 크기는 거의 동일한 보다 큰 기구보다 적어도 거의 10배작을 수 있다.The present invention takes advantage of scale invariance of particle trajectories in the electric field. The absolute size of the beam spot is proportional to the overall size of the instrument's active elements (especially the focal length of the focusing lens). These devices (in order from source to last beam spot) are particle sources and acceleration means that can be operated individually or jointly to prevent lateral expansion of the particle beam. Such a particle beam generator may be very small and is equipped with micromechanized focusing means and acceleration means for preventing the expansion of the beam. Thus, the resolution can be kept much smaller than in larger instruments. Thus, a design made at a scale of 100 mm can have a beamspot size that is at least nearly 100 times larger than a micromachine. Although larger instruments allow the use of larger voltages to accelerate the beams with greater energy that can result in smaller beamspot sizes, in view of this the beamspot size of the ultra-compact design is at least nearly as large as the larger instruments. Can be 10 times smaller.

추출개구의 직경은 거의 5nm∼500nm 사이일 수 있다. 더 바람직하게는, 추출개구의 직경은 거의 5nm∼100nm 사이일 수 있다.The diameter of the extraction opening may be between about 5 nm and 500 nm. More preferably, the diameter of the extraction opening may be between about 5 nm and 100 nm.

입자 가속수단은 스택으로 배열되고 서로 전기적으로 절연되는 복수의 가속판을 갖추고 있다. 각각의 가속판은 연장된 가속개구를 형성하기 위해 추출개구와 더불어 공통의 세로축을 공유하는데 적합한 개구를 갖추고 있다. 추출판과 제1가속판 사이 및 그 후 세로로 배열되는 각 쌍의 연속하는 인접한 가속판 사이의 전압의 인가시에, 추출된 입자는 가속개구를 통해 가속화될 수 있기 때문에 그것들이 구성하는 빔의 에너지를 증가시킨다.The particle accelerator comprises a plurality of accelerator plates arranged in a stack and electrically isolated from each other. Each acceleration plate has an opening suitable for sharing a common longitudinal axis with the extraction opening to form an extended acceleration opening. Upon application of a voltage between the extraction plate and the first acceleration plate and then between each pair of successive adjacent acceleration plates arranged vertically, the extracted particles can be accelerated through the acceleration openings, Increase energy.

혹은, 추출판은 적어도 하나의 저항물질과 절연물에 의해 제2컨덕터로부터 분리되는 제1컨덕터이고, 가속수단은 이 물질과 제2컨덕터를 통해 추출개구로부터 연장하는 가속개구를 갖추고 있으며, 추출된 입자는 제1 및 제2컨덕터간의 차분전압의 인가시에 가속개구를 통해 가속화된다. 바람직하게는, 저항물질의 저항은 거의 1㏀∼무한대 사이에 있다. 이 물질은 바람직하게는 반도체 물질이고, 유리하게는 도핑된 실리콘이다.Alternatively, the extraction plate is a first conductor separated from the second conductor by at least one resistive material and an insulator, and the acceleration means has an acceleration opening extending from the extraction opening through the material and the second conductor, and the extracted particles Is accelerated through the acceleration opening upon application of the differential voltage between the first and second conductors. Preferably, the resistance of the resistive material is between about 1 kPa to infinity. This material is preferably a semiconductor material, advantageously doped silicon.

유리하게는, 가속개구의 직경이 거의 10nm∼1000㎛이다. 시준수단은 가속개구와 일체로 형성되고, 유리하게는 그 벽에 형성된 원뿔형으로 되어 있다. 이 원뿔형은 그 직경이 가속화된 빔의 방향으로 증가하도록 되어 있다.Advantageously, the diameter of the acceleration opening is about 10 nm to 1000 mu m. The collimation means is formed integrally with the acceleration opening and advantageously has a conical shape formed on the wall thereof. This cone is designed such that its diameter increases in the direction of the accelerated beam.

혹은, 시준수단은 가속개구에 비해 더 작은 직경을 가진 적어도 하나의 시준개구를 갖추고 있고, 그 세로축에 배치될 수 있다.Alternatively, the collimating means has at least one collimating opening having a smaller diameter than the accelerating opening, and may be arranged on its longitudinal axis.

유리하게는, 입자빔 발생기는 그것과 통합되는 바람직하게는 전계방출소스인 입자소스를 갖추고 있다.Advantageously, the particle beam generator is equipped with a particle source which is preferably integrated with it and is a field emission source.

입자빔 발생기는 전자입자소스와 함께 이용하는데 적합하거나 또는 이온입자소스와 함께 이용하는데 적합할 수 있다.The particle beam generator may be suitable for use with an electron particle source or for use with an ion particle source.

입자빔 발생기는 근거리 현미경의 일부를 형성할 수 있고, 마이크로칩에 장착될 수 있다.The particle beam generator can form part of a near field microscope and can be mounted to a microchip.

도 1에 있어서, 입자빔 발생기(10)는 입자소스(14)에 대해 중앙에 위치하도록 압전제어 시스템(도시하지 않음)을 이용하여 위치한 추출개구(13)를 갖춘 추출판(12)을 구비하고 있다. 입자소스는 근거리 나노팁(nanotip) 소스이다. 나노팁은 약 8nm의 반경을 가진 표준 SEM 팁이다. 점선 원은 추출판이 나타낸 것보다 측면으로 훨씬 클 수 있다는 것을 나타낸다. 가속기 칼럼(column; 16)은 칼럼을 형성하도록 쌓인 일련의 가속판(18)으로 이루어져 있고, 각 판은 연장되는 가속개구(20)를 형성하기 위해 판이 쌓여질 때 그것들이 서로 및 추출개구(13)와 공통의 세로축을 공유하는데 적합한 개구를 갖추고 있다. 각 판(18)은 서로 전기적으로 절연되고, 그 자신의 전압이 공급될 수 있다. 전자나 음이온을 가속시키는 경우에는 판(18)과 나노팁(14)의 전압을 우측에 나타낸다. 이 경우, V는 항상 네거티브이고, 칼럼으로부터의 전자의 최종 에너지는 VT eV(electron volt)이다. ΔV는 칼럼에서의 각 판 사이의 전압차이고, VO는 팁과 추출판 사이의 전압차이다(가장 큰 네거티브 전압은 팁에 있고, 전압은 마지막 판에 대한 칼럼 아래로 갈수록 제로 전압으로 증가한다). 입자빔 발생기(10)는 근거리 현미경 장치와 함께 이용하는데 적합할 수 있고, 300∼1000eV의 에너지 범위에서 동작하도록 설계될 수 있다. 전압과 전극의 분리는 나노팁이 전자를 방출하고 가속개구의 전계가 약간 수렴하는 빔을 발생시키는데 필요해지도록 조절된다. 전자 궤적은 도면의 상부에서 하부로 이동하는 전자에 따라 점/파선(22)으로 개략적으로 나타내어져 있다. 이들 궤적은 팁으로부터 방출되고 가속기 칼럼을 통과하는 대다수의 전자를 포함하는 엔벌로프(envelope)에 의해 규정되는 전체 빔 프로파일을 나타낸다.In FIG. 1, the particle beam generator 10 has an extraction plate 12 with an extraction opening 13 positioned using a piezoelectric control system (not shown) to be centrally located with respect to the particle source 14. have. The particle source is a near-nanotip source. Nanotips are standard SEM tips with a radius of about 8 nm. The dashed circle indicates that the extraction plate can be much larger laterally than shown. An accelerator column 16 consists of a series of accelerator plates 18 stacked to form a column, with each plate having one another and an extraction aperture 13 when the plates are stacked to form an elongated acceleration opening 20. ) And an opening suitable for sharing a common longitudinal axis. Each plate 18 is electrically insulated from each other and can be supplied with its own voltage. When accelerating electrons and anions, the voltages of the plate 18 and the nanotip 14 are shown on the right. In this case, V is always negative and the final energy of the electrons from the column is VT eV (electron volt). ΔV is the voltage difference between each plate in the column, and VO is the voltage difference between the tip and the extraction plate (the largest negative voltage is at the tip, and the voltage increases to zero as it goes down the column for the last plate). Particle beam generator 10 may be suitable for use with near-field microscope devices and may be designed to operate in an energy range of 300-1000 eV. The separation of the voltage and the electrode is adjusted so that the nanotips are needed to emit electrons and generate a beam in which the accelerating electric field slightly converges. Electron trajectories are schematically represented by dots / dashed lines 22 along the electrons moving from the top to the bottom of the figure. These trajectories represent the entire beam profile defined by an envelope that includes the majority of electrons emitted from the tip and through the accelerator column.

도 2에 있어서, 제1스테이지 집속수단(24)은 제1마이크로 스케일 렌즈 시스템을 갖추고 있다. 이 마이크로 스케일 렌즈 시스템은 가속개구(22)로부터 입자빔을 모으고 집속시키도록 배치되어 있다. 도 2는 빔 프로파일(26)에 대한 집속결과를 나타내고 있다. 이 렌즈는 3개의 원통형 소자(28, 30, 32)로 이루어진 수차 교정된 원통형 에인젤(einzel) 렌즈이다. 외부의 2개 소자(28, 32)는 대지전위에 있고, 중앙의 소자에는 요구되는 위치에서 전자를 집속시키는데 충분한 전압이 공급된다(극성전압이 가해질 수 있지만 수차는 전자를 집속시키는데 이용될 때에는 포지티브 전압에 대해 가장 작고, 양전하로 대전된 이온을 집속시키는데 이용될 때에는 네거티브 전압에 대해 가장 작다). 이 특별한 마이크로 렌즈의 대략의 스케일을 도면의 상부에 나타낸다. 일례로서, 도면에 있어서 시료를 스캔하기 위해 측면으로 이동될 수 있고 초점을 조절하기 위해 빔축을 따라 이동될 수 있는 시료 홀더(34a)에서 빔이 집속된다. 이 렌즈에서 수차는 도 1과 도 2의 섹션의 x, y, l, t로 표시된 상대적인 치수를 조절함으로써 교정된다.2, the first stage focusing means 24 is equipped with a first micro scale lens system. This micro scale lens system is arranged to collect and focus the particle beam from the acceleration opening 22. 2 shows the focusing result for the beam profile 26. This lens is an aberration corrected cylindrical einzel lens consisting of three cylindrical elements 28, 30, 32. The external two elements 28 and 32 are at ground potential, while the central element is supplied with sufficient voltage to focus electrons at the required position (polarity may be applied, but aberrations are positive when used to focus electrons). Smallest for voltage and smallest for negative voltage when used to focus positively charged ions). The approximate scale of this particular micro lens is shown at the top of the figure. As an example, the beam is focused in a sample holder 34a which can be moved laterally to scan the sample in the figure and along the beam axis to adjust the focus. In this lens, the aberration is corrected by adjusting the relative dimensions, denoted by x, y, l, t of the sections of FIGS. 1 and 2.

도 3에 있어서, 제2스테이지 집속수단(36)은 3개의 원통형 소자(38, 40, 42)로 이루어진 소형 에인젤 렌즈를 갖추고 있다. 그것은 약 천배나 크고 시료 홀더(34b)가 위치해 있는 기구의 끝에서 몇 밀리미터 떨어진 지점에서 빔을 집속시킨다는 것 외에는 본질적으로 이전 렌즈와 동일하다. 이전과 같이 주사는 압전제어 시스템을 이용하여 시료를 측면으로 이동시킴으로써 달성된다. 또한, 홀더(34b)는 시료를 정확한 초점에 배치하도록 축을 따라 이동될 수 있다. 초점길이는 밀리미터이기 때문에, 타겟 위의 공간에 전자 검출기(44)를 포함할 수 있다. 이것은 주사 이미지를 얻을 수 있도록 후방산란되는 전자를 검출하고 측정하는데 사용된다. 이 렌즈가 가능한 한 양호하게 수차 교정되는 것이 가장 중요하다. 치수(a, b, l, t)의 상대적인 조절에 더하여, 점/파선으로 나타낸 내부표면(46)의 만곡은 최적으로 형성될 수도 있다.In Fig. 3, the second stage focusing means 36 has a compact angel lens composed of three cylindrical elements 38, 40, 42. It is essentially the same as the previous lens, except that it focuses the beam about a thousand times larger and a few millimeters away from the end of the instrument where the sample holder 34b is located. As before, scanning is accomplished by moving the sample laterally using a piezoelectric control system. In addition, the holder 34b can be moved along the axis to position the sample at the correct focus. Since the focal length is in millimeters, the electron detector 44 may be included in the space above the target. It is used to detect and measure electrons that are backscattered to obtain a scanned image. It is most important that this lens is aberration corrected as well as possible. In addition to the relative adjustment of the dimensions a, b, l, t, the curvature of the inner surface 46, represented by dotted lines / dashed lines, may be optimally formed.

사용중에는, 추출판이 입자소스에 근접하여 배치되고 전압은 전계방출의 프로세스에 의해 전자가 팁으로부터 직접 방출되게 하는 판과 소스 사이에 가해진다. 유사한 프로세스는 액체금속이 집속된 이온빔 소스에서와 같이 팁에 공급되면 이온빔을 발생시킬 수 있다. 이들 전자/이온빔의 휘도는 매우 크기 때문에 작은 스폿에 집속될 수 있다. 이 빔을 사용하고 그것을 측면으로 팽창하는 것을 저지시키기 위해, 나노스케일 추출개구를 갖춘 추출판이 사용되고, 나노팁 맞은 편에 있는 판의 측면의 높은 전기장에 의해 추종된다. 따라서, 전자/이온은 나노팁 소스로부터 성공적으로 추출될 수 있고, 일반적으로 근거리 분광학에 도입되는 압전 변환장치를 이용하여 추출판을 이동시킴으로써 나노팁 소스에 중심을 둘 수 있는 추출개구를 통과할 수 있다. 추출판 맞은 편의 전기장은 전자/이온을 가속시키고 동시에 약한 집속결과를 발생시키는 나노팁 소스와 면하는 측의 전기장과 유사하게 이루어져 있다. 이 개구를 따르는 입자빔 크기는 본질적으로 개구크기에 따라 결정되고, 계산은 개구크기가 약 30nm일 때 나노팁 소스로부터 방출된 대부분의 전자나 이온이 이 입자빔내로 형성될 수 있다는 것을 나타낸다. In use, an extraction plate is placed in close proximity to the particle source and a voltage is applied between the plate and the source causing electrons to be emitted directly from the tip by a process of field emission. Similar processes can generate ion beams when liquid metal is supplied to the tip, such as in a focused ion beam source. Since the luminance of these electron / ion beams is very large, they can be focused on small spots. To use this beam and prevent it from expanding laterally, an extraction plate with nanoscale extraction openings is used, followed by a high electric field on the side of the plate opposite the nanotip. Thus, electrons / ions can be successfully extracted from the nanotip source and pass through an extraction aperture that can be centered on the nanotip source by moving the extraction plate using a piezoelectric transducer, which is generally introduced in near-field spectroscopy. have. The electric field opposite the separator consists of an electric field on the side facing the nanotip source that accelerates electrons / ions and at the same time produces weak focusing results. The particle beam size along this aperture is essentially determined by the aperture size, and calculations indicate that most electrons or ions emitted from the nanotip source can be formed into the particle beam when the aperture size is about 30 nm.

이 디자인의 소스는 수백 나노미터보다 오히려 덜 떨어져서 팁 가까이에 위치한 나노스케일 개구를 사용하도록 도입된 통상적인 것과는 다르다. 따라서, 전자는 미소한 개구를 통해 추출될 수 있기 때문에, 그 후 다음 렌즈의 축 가까이에서 작은 치수로 제한될 수 있다. 또한, 그것은 팁으로부터 전계방출을 발생시키는데는 훨씬 작은 전압이 필요하다는 것을 의미한다. 추출개구로부터 연장되는 가속개구를 갖춘 나노스케일/마이크로스케일 가속 칼럼을 이용함으로써, 추출판이 약한 렌즈로서 동작할 수 있도록 추출판 어느 쪽에서든 대략 같은 전기장을 발생시킬 수 있다. 이것은 전자/이온을 가속시키는 그(가속개구) 기능에 부가해 있다. 따라서, 빔은 작은 크기의 빔 때문에 렌즈 수차의 불필요한 결과를 제한하고, 기구 스케일의 전체 감소로부터 상당한 이익을 얻는 1∼1000㎛ 범위의 개구를 갖춘 원통형 집속렌즈의 이용을 허용하는 기구를 통해 그 진행에서 현저하게 팽창해질 수 없다.The source of this design is different from the conventional one introduced to use nanoscale openings located close to the tip less than a few hundred nanometers apart. Thus, since the electrons can be extracted through the microscopic openings, they can then be limited to small dimensions near the axis of the next lens. It also means that much smaller voltages are required to generate field emission from the tip. By using a nanoscale / microscale acceleration column with acceleration openings extending from the extraction aperture, it is possible to generate approximately the same electric field on either side of the extraction plate so that the extraction plate can act as a weak lens. This is in addition to its (acceleration opening) function of accelerating electrons / ions. Therefore, the beam proceeds through a mechanism that allows the use of a cylindrical focusing lens with apertures in the range of 1 to 1000 μm, which limits the unnecessary consequences of lens aberrations due to the small size of the beam and benefits significantly from the overall reduction in instrument scale. Can not be significantly expanded in

이것은 마이크로스케일(초소형)과 밀리미터 초점길이의 집속렌즈의 이용을 허용한다. 이들 초점길이는 통상적인 전자 현미경보다 매우 작기 때문에, 렌즈 수차의 보다 적은 교정으로 매우 작은 치수 아래로 빔을 집속시킬 수 있다.This allows the use of microscale (miniature) and millimeter focal length focusing lenses. Since these focal lengths are much smaller than conventional electron microscopes, it is possible to focus the beam down very small dimensions with less correction of lens aberrations.

이들 소형 및 초소형 디자인은 최대 수keV까지의 전자/이온 에너지를 위한 독립형 기구로서 동작하기 위한 것이지만, 그것들은 100keV까지 및 그 이상에서 동작하는 보다 큰 통상적인 높은 에너지 전자/이온빔 시스템의 제1스테이지로서 도입될 수도 있다.These compact and ultra-compact designs are intended to operate as standalone instruments for electron / ion energy up to several keV, but they are the first stage of larger conventional high energy electron / ion beam systems operating at and above 100 keV. May be introduced.

소스 가속기 칼럼으로부터의 빔은 이 렌즈에 도달하기 전에 가속기 칼럼의 끝에서부터의 빔이 현저하게 팽창되지 않도록 얼마간 떨어져서 위치한 마이크로스케일 원통형 에인젤 렌즈를 통과한다. 최종 렌즈 소자로부터 수마이크론 떨어져서 1나노미터 이하의 직경 아래로 이 렌즈를 이용하여 빔을 집속시킬 수 있다. 가장 작은 초점스폿을 얻기 위해서, 이 소자는 후술하는 바와 같이 그 결합구조를 조절함으로써 수차에 대해 교정된다.The beam from the source accelerator column passes through a microscale cylindrical angel lens positioned some distance apart so that the beam from the end of the accelerator column does not significantly expand before reaching this lens. The lens can be used to focus the beam down a diameter of less than 1 nanometer away from the final lens element. In order to obtain the smallest focal spot, the device is corrected for aberration by adjusting its coupling structure as described below.

SEM 또는 FIB 기술을 위해 직접적으로 이 집속된 빔스폿을 이용할 수 있을지라도, 빔이 수백에서 수천 마이크론의 통상적인 개구직경을 가진 소형 또는 초소형 에인젤 렌즈를 통과하면 그것은 보다 특별하다. 이 렌즈는 렌즈의 마지막 렌즈소자의 끝에서 수밀리미터 떨어져서 가장 작은 빔스폿을 얻을 수 있도록 제1마이크로 렌즈로부터 최적의 거리만큼 떨어져서 위치해 있다. 이러한 배열은 매우 실용적이고, 보통 SEM에 필요한 전자 검출기의 삽입을 허용한다.Although this focused beamspot can be used directly for SEM or FIB technology, it is more special if the beam passes through a small or ultra-small angel lens with a typical aperture diameter of hundreds to thousands of microns. The lens is located at an optimal distance from the first microlens so that the smallest beam spot can be obtained several millimeters from the end of the last lens element of the lens. This arrangement is very practical and allows the insertion of the electron detector which is usually required for SEM.

이 마지막 렌즈를 통과하는 빔크기가 수마이크론보다 작을 수 있을지라도, 최상의 성능을 달성하기 위해서는 수차(주로 구상)를 교정하는 것이 여전히 필요하다. 이것은 후에 상세히 설명하는 바와 같이 그 결합구조를 변경함으로써 행해진다. 이 렌즈가 올바르게 교정되면 1nm보다 현저히 작은 집속된 빔스폿 크기가 얻어질 수 있다.Although the beam size passing through this last lens may be less than a few microns, it is still necessary to correct the aberration (primarily figuration) to achieve the best performance. This is done by changing the coupling structure as will be described in detail later. Correct correction of this lens can result in a focused beamspot size significantly smaller than 1 nm.

본 발명의 작용에 동등하게 적용될 수 있는 다른 제1 및 제2스테이지 집속수단이 이용될 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.Those skilled in the art will appreciate that other first and second stage focusing means may be used which are equally applicable to the operation of the present invention.

도 4에 있어서, 완전한 시스템은 2개의 4소자, 원통형 에인젤 렌즈, B라벨을 붙인 하나의 마이크로스케일, C라벨을 붙인 하나의 미니어쳐를 갖추고 있다. 이들 렌즈는 A라벨을 붙인 전자/이온소스의 다운스트림에 놓여져 있다. 많은 변수를 가짐으로써, 결합구조에 있어서 그것들은 매우 낮은 수차를 갖도록 이루어질 수 있다. 이것은 카메라에서 멀티소자 광학렌즈 및 광학 기구와 약간 유사하다. 이들 빔소자를 위한 최종 디자인은 그것이 렌즈에 들어감에 따라 전자/빔 에너지, 발산 및 크기에 의존한다. 변경될 수 있는 파라미터는 다음과 같다.In Figure 4, the complete system is equipped with two four elements, a cylindrical angel lens, one microscale labeled B, and one miniature labeled C. These lenses are placed downstream of the A-labeled electron / ion source. By having many variables, they can be made to have very low aberrations in the coupling structure. This is somewhat similar to multielement optical lenses and optics in cameras. The final design for these beam elements depends on the electron / beam energy, divergence and size as it enters the lens. The parameters that can be changed are as follows.

1) 소자 갯수1) Number of devices

2) 각 전극의 두께2) thickness of each electrode

3) 전극간의 간격3) Spacing between electrodes

4) 각 전극에서의 개구크기4) Opening size at each electrode

5) 이전 응용에서 나타낸 바와 같은 렌즈상의 에지의 형상5) Shape of the edge on the lens as shown in the previous application

6) 각 전극에 가해지는 전압6) Voltage applied to each electrode

이들 파라미터의 적당한 변화에 의해 본 발명의 시스템으로부터 구상의 수차를 거의 완전하게 제거할 수 있었다.Appropriate changes in these parameters could almost eliminate spherical aberrations from the system of the present invention.

도 4는 전압(V1, V2, V3, V4) 각각과 함께 전극(48, 50, 52, 54)을 갖춘 4소자 렌즈의 결합구조를 나타낸다. 빔과 그 방향은 56으로 나타낸다. 제1분석 위치(58)는 마이크로스케일 렌즈의 끝에서부터의 초점거리(f1)이다. 주사투과 현미경에서 언제나 하는 것과 같이 빔의 주사는 압전을 이용하여 시료를 이동시킴으로써 달성된다. 이 시료 위치는 이동될 수 있고, 제2렌즈의 끝에서부터 얼마간(f2) 떨어져서 초점에 오도록 빔은 제2소형렌즈를 통과한다. 이 때, 압전구동 시료 홀더(60)가 있다. 이 제2소형렌즈가 제1렌즈와 같은 결합구조를 갖는 것으로 나타내어질지라도, 이것은 반드시 그럴 필요는 없다. 정밀한 결합구조(개구크기 등)는 이 렌즈를 통과하는 빔 특성에 따를 것이다. 통상적인 개구크기는 마이크로스케일 렌즈에 대해서는 약 5㎛이고, 소형렌즈에 대해서는 5㎜이지만, 이것들은 광범위에 걸쳐 변화될 수 있다.4 shows a coupling structure of a four-element lens with electrodes 48, 50, 52, and 54 together with voltages V1, V2, V3, and V4, respectively. The beam and its direction is indicated at 56. The first analysis position 58 is the focal length f1 from the end of the microscale lens. As is always the case with scanning microscopes, scanning of the beam is achieved by moving the sample using piezoelectrics. This sample position can be moved and the beam passes through the second compact lens so that it is in focus some f2 away from the end of the second lens. At this time, there is a piezoelectric driving sample holder 60. Although this second compact lens is shown to have the same coupling structure as the first lens, this need not be the case. The precise coupling structure (opening size, etc.) will depend on the beam characteristics passing through this lens. Typical aperture sizes are about 5 μm for microscale lenses and 5 mm for small lenses, but they can vary over a wide range.

입자빔 발생기가 좁은(<50nm) 축상(on-axis) 빔을 발생시키는 하나 이상의 나노칼럼(162)을 갖춘 마이크로칩(100)인 본 발명의 다른 실시예를 도 5에 나타낸다. 나노팁(114)은 수직 캔틸레버(vertical cantilever; 도시하지 않음)에 부착되고 중심에 위치해 있으며 나노칼럼(162)의 제1개구(13)로부터 10nm보다 더 큰 마이크로구조의 끝에 있다. 나노칼럼(162)은 도시한 바와 같이 하나 이상의 부분에 있을 수 있고, 50nm보다 작은 측면치수의 축빔을 규정할 수 있다. 통상적인 나노칼럼(162)은 도 5b에 도시되어 있고, 교번 금속(alternate metal; 도전성)층으로 이루어진 얇은 다층막으로 이루어져 있으며, 원형 개구(13)가 리소그래피나 FIB '밀링 기계'를 이용하여 이루어진 절연층(119)으로 사이를 메우고 있다. 나노칼럼의 총길이는 2㎛까지 일 수 있고, 빔의 (축상) 방향과 위상공간 방사율을 정확하게 결정하기에 충분하다. 나노팁(114)은 도시한 바와 같이 개구 위에 위치해 있고, 전압차는 팁(114)과 나노칼럼 전극(162) 사이에 인가된다. 나노칼럼에 의해 규정되는 빔은 멀티소자, 마이크로스케일, 에인젤 렌즈와 중심이 같은 축(164)을 갖추고 있다. 이 렌즈는 절연체(168)로 사이를 메운 금속(도전성) 전극(166)으로 이루어져 있다. 도시한 어셈블리는 절연체로 사이를 메운 4개의 금속 전극으로 이루어져 있고, 마이크로렌즈와 같은 치수의 개구를 가진 절연막에 의해 분리되어 있는 나노칼럼으로부터 단지 수마이크론 떨어져서 위치해 있다. 이 렌즈에 적당한 개구 직경은 이전 출원에서 주어져 있다. 스택에서 금속 도전성 전극수를 증가시키면 이 렌즈의 수차를 감소시킬 수 있다.Another embodiment of the present invention is shown in FIG. 5 where the particle beam generator is a microchip 100 having one or more nanocolumns 162 generating narrow (<50 nm) on-axis beams. Nanotip 114 is attached to and centered on a vertical cantilever (not shown) and is at the end of the microstructure greater than 10 nm from the first opening 13 of nanocolumn 162. Nanocolumns 162 may be in one or more portions as shown and may define axial beams of lateral dimensions smaller than 50 nm. A typical nanocolumn 162 is shown in FIG. 5B and consists of a thin multilayer film of alternating metal (conductive) layers, with the circular opening 13 insulated using lithography or a FIB 'milling machine'. Filled with layer 119. The total length of the nanocolumns can be up to 2 μm, which is sufficient to accurately determine the (axial) direction and phase space emissivity of the beam. Nanotip 114 is positioned over the opening as shown, and a voltage difference is applied between tip 114 and nanocolumn electrode 162. The beam defined by the nanocolumns has an axis 164 co-centered with the multi-element, microscale, angel lens. This lens consists of a metal (conductive) electrode 166 filled with an insulator 168. The illustrated assembly consists of four metal electrodes sandwiched by an insulator and is located just a few microns away from the nanocolumn separated by an insulating film with openings of the same dimensions as the microlenses. Suitable aperture diameters for this lens are given in previous applications. Increasing the number of metal conductive electrodes in the stack can reduce the aberration of this lens.

도 6a와 도 6b는 마이크로렌즈가 기구의 끝에서부터 50㎛보다 작은 지점에서 빔을 집속시킬 수 있도록 현미경을 구성하는 방법 중 하나를 나타낸다. 이 조건은 빔이 1nm보다 작고 1Å에 가까운 측면크기를 가질 때 필요하다(이 빔스폿은 본래 기구의 분해능을 결정한다). 본 발명의 이 실시예의 적용은 도 6b의 근거리 현미경에 나타내어져 있고, 나노포지셔닝(nanopositioning)의 표준기술을 이용하여 위치할 수 있는 근거리 현미경의 수평 캔틸레버 암(arm; 170)에 단단하게 부착된 '칩'이나 몸체(100)로 이루어져 있다. 이 위의 수직 캔틸레버는 나노팁(114)을 유지하고, 수직으로 이것은 이동될 수 있으며, 수평 플레인에서 스캔될 수 있다. 시료는 시료를 부착시키기 위한 작은 표면영역을 가진 특별한 리테이너(retainer; 172)에 장착된다(이 원자 분해능 배열은 단지 작은 영역 시료를 수용할 수 있다; 보다 큰 영역에 대해서는 마이크로렌즈의 초점길이는 증가되고 분해능은 약 1nm로 떨어진다). 현미경 몸체 아래의 수직 캔틸레버(174)는 시료 리테이너를 유지하고, 정확한 수직 거리에 시료의 위치를 결정할 뿐만 아니라 수평 플레인에서 스캔하는 수단을 제공한다.6A and 6B illustrate one method of configuring a microscope such that the microlens can focus the beam at a point smaller than 50 μm from the end of the instrument. This condition is necessary when the beam is smaller than 1 nm and has a side size close to 1 micron (this beam spot determines the resolution of the original instrument). The application of this embodiment of the present invention is shown in the near-field microscope of FIG. 6B and is firmly attached to the horizontal cantilever arm 170 of the near-field microscope, which can be positioned using standard techniques of nanopositioning. Chip 'or body 100. The vertical cantilever above this holds the nanotip 114, which can be moved vertically and scanned in the horizontal plane. The sample is mounted in a special retainer 172 with a small surface area for attaching the sample (this atomic resolution arrangement can only accommodate small area samples; for larger areas the focal length of the microlenses is increased. Resolution drops to about 1 nm). Vertical cantilever 174 below the microscope body holds the sample retainer and provides a means to scan the horizontal plane as well as to position the sample at the correct vertical distance.

몸체나 칩(100)의 상세는 도 6a에 나타내어져 있다. 일련의 스텝은 칩의 하나의 에지에서 리소그래피에 의해 발생되고, 레이저빔으로 마이크로기계화된다. 하부 스텝은 단지 수㎛ 두께이고, 약 20㎛보다 넓다. 이 스텝(176)에서 도 6a에 나타낸 바와 같은 본래 입자빔 발생기의 몸체인 다층 어셈블리(178)가 형성된다. 다층은 2개의 스테이지에서 원자 증착에 의해 성장된다. 먼저 정전식 렌즈에 대응하는 층이 생성되고, 도면에서 문자 A에 대응하는 스텝의 에지 근처에서 리소그래피에 의해 층에 렌즈 개구에 대응하는 홀(hole; 113)이 제조된다(하나의 리소그래픽 프로시저로 많은 홀이 생성될 수 있고, 각각은 분리 현미경일 수 있다). 상부 층은 금이나 탄소의 나노미터 두께 막으로 피복되어 있고, 이 때 연속하는 다층은 나노칼럼의 층에 대응하여 성장(원자증착)된다. 층은 각 분리층이 스텝을 따라 다른 위치에서 종결될 수 있게 하는 수평 마스크를 이용하여 생성된다. 이것은 노출된 영역(180)에 의해 도시되는 바와 같이 현미경에서 전극에 전기 콘택트를 부여하는 근본적인 방법을 제공한다. 마지막으로 나노칼럼 홀은 집속된 이온빔을 이용하여 정전식 렌즈에서 축상의 다층을 통과하여 뚫려져 있다(또한, 이것은 현재의 발달 상태 전자빔 리소그래피와 드라이 에칭 기술로 이루어질 수 있다).Details of the body or chip 100 are shown in FIG. 6A. A series of steps are generated by lithography at one edge of the chip and micromechanized with a laser beam. The bottom step is only a few microns thick and wider than about 20 microns. In this step 176, a multilayer assembly 178 is formed, which is the body of the original particle beam generator as shown in FIG. 6A. The multilayer is grown by atomic deposition in two stages. First a layer corresponding to the electrostatic lens is created, and a hole 113 corresponding to the lens opening in the layer is produced by lithography near the edge of the step corresponding to the letter A in the figure (one lithographic procedure). Many holes can be created, each of which can be a separation microscope). The top layer is covered with a nanometer thick film of gold or carbon, with successive multilayers growing (atomic deposition) corresponding to the layer of nanocolumns. The layer is created using a horizontal mask that allows each separation layer to terminate at different locations along the step. This provides a fundamental way of imparting electrical contact to the electrode in the microscope as shown by the exposed area 180. Finally, the nanocolumn holes are drilled through the axial multilayers in the capacitive lens using a focused ion beam (although this can be accomplished with current developmental electron beam lithography and dry etching techniques).

오퍼레이션에 있어서 나노팁(114)은 축(64)을 따라 초점(182)에서 시료로 개구와 빔을 집속시키도록 조절되는 렌즈상의 전압에 집중된다. 지지 스텝(176)의 두께와 초점 길이는 채널트론(channeltron; 184)으로 기록되어야 하는 후방산란된 전자에 대한 충분히 큰 갭이 있도록 배열된다.In operation, the nanotip 114 is concentrated at a voltage on the lens that is adjusted to focus the aperture and beam from the focus 182 to the specimen along the axis 64. The thickness and focal length of the support step 176 are arranged such that there is a sufficiently large gap for backscattered electrons to be recorded with a channeltron 184.

현미경이 단일 칩에 포함될 수 있게 하는 2개의 다른 적응이 가능하다. 첫째로, 나노팁과 현미경 캔틸레버가 칩의 몸체에 생성될 수 있다(이것은 아마 수평 캔틸레버일 수 있다). 두번째로, 검출기가 칩의 베이스에 제조될 수 있다. 이 목적을 위해서는, 전자를 위한 반도체 애벌런시형 검출기를 이용하는 것이 더 좋다. 칩상에 최후의 SEM을 만들기 위해 칩의 베이스 내의 시료를 스캔하는 메커니즘을 짜넣는 것을 고려할 수 있다.Two different adaptations are possible, allowing the microscope to be included on a single chip. First, nanotips and microscope cantilevers can be created in the body of the chip (which may be horizontal cantilevers). Secondly, a detector can be fabricated at the base of the chip. For this purpose, it is better to use semiconductor avalanche detectors for electrons. One may consider incorporating a mechanism to scan a sample in the base of the chip to make the final SEM on the chip.

사용시에, 통상적인 치수와 전압은 본 발명의 이전 실시예에 대해 상술한 바와 같다. 적당한 배열은 STM에서 이용되는 수직 캔틸레버 배열을 이용하여 위치되어야 하는 나노팁(114)을 위한 것이다. 그러나, 리소그래피에서 최근 진보는 이 캔틸레버를 현미경 자체에 짜넣는 것을 가능하게 한다. 나노칼럼은 필요로 하는 나노스케일 크기(통상적으로는 50nm 이하)의 원형 홀이 제조되는 절연층에 의해 분리되는 도전성(금속이나 실리콘) 박막의 다층으로 이루어져 있다. 이것은 리소그래픽 기술이나 집속된 이온빔을 이용하는 드릴링(drilling)에 의해 행해진다. 마이크로스케일 멀티소자 에인젤 렌즈는 나노칼럼 아래에 위치해 있고 그것과 중심이 같다. 이것은 분리 부분으로 이루어질 수 있고, 표준 마이크로포지셔닝(micropositioning) 시스템을 이용하여 나노칼럼에 대해 독립적으로 위치해 있을 수 있다. 보다 간단한 형태로 나노칼럼으로서 동일한 다층 구조로 마이크로렌즈가 이루어질 수 있고 전체는 현미경의 기본 소자를 형성할 수 있다. 렌즈의 제조는 리소그래피와 레이저빔 기계가공을 포함한 여러 기술로 이루어질 수 있다.In use, typical dimensions and voltages are as described above for the previous embodiment of the present invention. A suitable arrangement is for the nanotip 114 to be positioned using the vertical cantilever arrangement used in the STM. However, recent advances in lithography make it possible to incorporate this cantilever into the microscope itself. Nanocolumns consist of multiple layers of conductive (metal or silicon) thin films separated by an insulating layer from which circular holes of the required nanoscale size (typically 50 nm or less) are manufactured. This is done by lithographic techniques or by drilling using a focused ion beam. The microscale multi-element angel lens is located below and centered on the nanocolumn. This may consist of separate parts and may be located independently of the nanocolumns using standard micropositioning systems. In a simpler form, the microlenses may be made in the same multilayer structure as the nanocolumns, and the whole may form a basic element of a microscope. The manufacture of the lens can be accomplished by a number of techniques, including lithography and laser beam machining.

현미경 몸체는 수직 및 측면 모두에 위치할 수 있는 수직(캔틸레버) 암에 유지된다. 나노프로브(nanoprobe)는 나노칼럼으로 제1전극을 형성하는 4분면 금속 박막 내의 전류를 이용하는 서보 메커니즘에 의해 나노칼럼 개구에 중심을 둔다. 현미경 몸체 아래는 수직 캔틸레버의 끝의 간단한 스테이지이다. 전자빔은 수직 캔틸레버의 끝의 시료 스테이지로 집속된다. 전자빔은 시료로 집속되고, STM에서 이용되는 바와 같은 표준 나노포지셔닝 기술, 예컨대 압전 메커니즘을 이용하여 캔틸레버의 끝을 이동함으로써 시료를 가로질러 이동될 수 있다. 후방산란되는 전자가 전자 검출기(채널트론)를 이용하여 검출되면, 표면의 원자구조의 이미지가 이루어질 수 있다. 최후 디자인에 있어서 전자검출기는 현미경 칩의 베이스에 짜넣어질 수 있다. 10nm 아래의 기계가공 표면 구조에 적당한 집속된 이온빔 시스템을 위한 디자인은 나노팁에 액체 갈륨을 공급하고 전압의 극성을 반전시켜 이전 서술로부터 적합될 수 있다. 이 배열에 있어서, 결합구조는 나노팁이 나노칼럼 아래에 위치하도록 반전된다(이것은 액체 갈륨이 현미경을 오염시키는 것을 막기 위한 것이다).The microscope body is held on a vertical (cantilever) arm that can be located both vertically and sideways. The nanoprobe is centered on the nanocolumn opening by a servo mechanism that utilizes the current in the quadrant metal thin film to form the first electrode from the nanocolumn. Below the microscope body is a simple stage at the end of the vertical cantilever. The electron beam is focused onto the sample stage at the end of the vertical cantilever. The electron beam is focused onto the sample and can be moved across the sample by moving the tip of the cantilever using standard nanopositioning techniques such as those used in STM, such as piezoelectric mechanisms. When the backscattered electrons are detected using an electron detector (channeltron), an image of the atomic structure of the surface can be made. In the final design, the electron detector can be incorporated into the base of the microscope chip. Designs for focused ion beam systems suitable for machining surface structures below 10 nm can be adapted from the previous description by supplying liquid gallium to the nanotips and reversing the polarity of the voltages. In this arrangement, the bonding structure is reversed so that the nanotips are located below the nanocolumns (this is to prevent liquid gallium from contaminating the microscope).

본 발명의 다른 실시예를 입자 빔 발생기(200)가 반도체 물질(284)에 의해 분리되는 한쌍의 박막 금속층(212, 213)을 갖춘 도 7a 내지 도 8에 나타낸다. 금속층 각각은 시준개구(286, 288; 나노시준기)를 갖추고 있다. 또한, 빔 발생기(200)는 반도체 물질을 통해 연장되고 세로축을 시준개구(286, 288)와 공유하는 가속개구(220)를 갖추고 있다. 가속개구(220)의 직경은 각각의 시준개구(286, 288)의 직경보다 더 크다. 통상적으로, 가속개구의 직경은 약 50nm이고, 나노시준기 개구의 직경은 약 30nm이다. 충분한 전압차가 팁과 시준개구(286) 사이에 있으면 입자는 나노팁(214)으로부터 방출될 것이다. 반도체 전체에 걸친 전압차가 충분히 크면 이들 입자는 가속되고 거의 평행한 빔으로 집속될 것이다(화살표 290은 도 7a와 도 7b에서 전자빔 방향을 나타낸다). 통상적으로 0.5㎛ 실리콘 얇은 웨이버(waver)의 경우, 반도체 전체에 걸친 전압은 약 300볼트이고, 이것은 600MV/m의 홀을 따라 균일한 전계를 발생시킬 것이다. 도 7b에 나타낸 바와 같이 2개의 스테이지로 이루어지면 보다 긴 나노칼럼이 가능하다. 여기에서 도전막(213)에 의해 분리되는 2개의 층이 있다. 하부층(285)은 도전적이고, 금속이나 바람직하게는 매우 낮은 저항성의 도핑된 실리콘으로 이루어질 수 있다. 2개의 금속막(213, 214)이 대지전위에 있으며, 전체 하부 칼럼(285)도 대지 전위에 있다. 나노개구(286)는 도 7a에 나타낸 장치와 같은 기능을 행하지만, 나노팁으로부터 수마이크론 떨어져 있을 수 있는 개구(288)는 전자빔의 (위상공간) 방출을 더 낮추는 동안 산란을 줄일 수 있다. 이 하부 칼럼(285)의 홀은 상부 가속부와 같은 시간에 제조된다. 그 유일한 기능은 반도체에서의 홀과 중심이 같은 나노개구(288)를 지지하는 것이다. 개구크기(288)의 직경이 제한되는 좁은 전자빔은 도 8에 나타낸 바와 같이 현미경의 정전식 집속소자로 나아간다.Another embodiment of the present invention is shown in FIGS. 7A-8 with a particle beam generator 200 having a pair of thin film metal layers 212, 213 separated by a semiconductor material 284. Each of the metal layers has collimation openings (286, 288; nanocollimators). The beam generator 200 also includes an acceleration opening 220 extending through the semiconductor material and sharing the longitudinal axis with the collimation openings 286 and 288. The diameter of the acceleration opening 220 is larger than the diameter of the respective collimation openings 286 and 288. Typically, the diameter of the accelerator opening is about 50 nm and the diameter of the nanocollimator opening is about 30 nm. If sufficient voltage difference is between tip and collimation opening 286, particles will be released from nanotip 214. If the voltage difference across the semiconductor is large enough, these particles will be accelerated and focused into a nearly parallel beam (arrow 290 shows the electron beam direction in FIGS. 7A and 7B). Typically for a 0.5 μm silicon thin waver, the voltage across the semiconductor is about 300 volts, which will generate a uniform electric field along the hole of 600 MV / m. As shown in FIG. 7B, a longer nanocolumn is possible with two stages. There are two layers separated by the conductive film 213 here. Lower layer 285 is conductive and may be made of metal but preferably very low resistive doped silicon. Two metal films 213 and 214 are at ground potential, and the entire lower column 285 is also at ground potential. The nanoopenings 286 perform the same function as the device shown in FIG. 7A, but the openings 288, which can be several microns away from the nanotips, can reduce scattering while further lowering the (phase space) emission of the electron beam. Holes in this lower column 285 are made at the same time as the upper accelerator. Its sole function is to support nano-openings 288 that are co-centered with holes in the semiconductor. The narrow electron beam of which the diameter of the opening size 288 is limited goes to the electrostatic focusing element of the microscope as shown in FIG.

현미경으로서 사용하기 위한 완전한 입자빔 발생기 시스템을 전자의 소스로 되는 나노칼럼(290)과 나노팁(214)에서의 홀과 함께 도 8에 나타낸다. 도시한 바와 같이 전자(222)의 좁은 빔은 나노칼럼(286/288)으로부터 동심의 에인젤 렌즈를 통과한다. 이 렌즈는 개구가 제조되어 있는 도전층 및 절연층(292, 294) 각각으로 제조되는 단순한 3소자 배열이다. 또한, 5개 이상의 전극을 포함하는 다수 소자 렌즈는 다른 실시예에 대해 상술한 바와 같이 수차를 줄이는 것이 가능하다. 내부 직경(렌즈의 개구)과 전극의 간격은 최소 수차와 가장 작은 빔스폿를 제공하도록 선택된다. 렌즈에 대한 통상적인 치수는 내부 직경이 약 2㎛이고 각층은 약 1㎛ 두께이다. 에인젤 렌즈의 제조는 3개의 다른 층의 단일의 얇은 웨이버로 이루어지면 단순화된다. 다른 도핑 농도로 실리콘을 이용하면 도전층(292)과 절연층(294)을 만들 수 있다. 단순한 3소자 렌즈에 대해서는, 외부의 2개의 도전성 전극이 대지전위에 있고, 중심은 어셈블리(296)의 끝에서부터 원하는 거리만큼 떨어져서 초점을 제공하기 위해 정확한 전압에 있다. 이 전체 어셈블리는 현미경의 몸체를 형성하고, 다른 실시예에서 상술한 바와 같이 이것이 단계적 어셈블리의 에지에서 제조되면 빔 발생기는 본래 나노팁으로부터 떨어져 있는 단일 칩이다. 그러나, 이 나노팁은 나노칼럼 입구개구의 중심에 위치하여 완전히 집속된 전자(이온)빔 기계, 즉 '칩상의 현미경(microscope on a chip)'을 제조하기 위해 나노칩으로 통합될 수 있도록 캔틸레버의 끝에 있다. 현미경 몸체를 이루는 저항성 막이 그것내에 많은 홀을 갖출 수 있어 나노프로브를 어떤 입구 개구로 이동시킴으로써 억세스될 수 있다는 점에 주의한다.A complete particle beam generator system for use as a microscope is shown in FIG. 8 with holes in nanocolumns 290 and nanotips 214 as sources of electrons. As shown, narrow beams of electrons 222 pass through concentric angel lenses from nanocolumns 286/288. This lens is a simple three element arrangement made of each of the conductive and insulating layers 292 and 294 in which the openings are made. In addition, a multi-element lens including five or more electrodes can reduce aberration as described above with respect to other embodiments. The gap between the inner diameter (opening of the lens) and the electrode is chosen to provide the smallest aberration and the smallest beam spot. Typical dimensions for the lens are about 2 μm in inner diameter and about 1 μm thick in each layer. The manufacture of the angel lens is simplified if it consists of a single thin waver of three different layers. If silicon is used at different doping concentrations, the conductive layer 292 and the insulating layer 294 can be formed. For a simple three element lens, two external conductive electrodes are at ground potential and the center is at the correct voltage to provide focus at a desired distance from the end of assembly 296. This entire assembly forms the body of the microscope, and as described above in another embodiment, the beam generator is essentially a single chip away from the nanotip when it is manufactured at the edge of the staged assembly. However, the nanotips are located at the center of the nanocolumn inlet openings and can be integrated into the nanochips to make a fully focused electron (ion) beam machine, a 'microscope on a chip'. Is at the end. Note that the resistive film that makes up the microscope body can have many holes in it and can be accessed by moving the nanoprobe to any inlet opening.

이전 실시예에 있어서, 가속 나노칼럼은 교번 금속(도전성)의 다층 구조로 구성되고, 100nm보다 작은 직경의 홀이 있는 절연층이 제조되며, 전자가 통과하는 채널이다. 도전성 전극에 전압을 인가함으로써, 이 어셈블리에서는 칼럼에서의 배출 개구를 다라 높은 전기장을 발생시킬 수 있다. 이 실시예는 이전 어셈블리와 같은 효과를 갖는 나노칼럼이나 가속기를 제조하는 보다 단순한 방법이다. 게다가, 이 새로운 장치는 제조하는 것이 보다 간단하고, 칼럼의 양 끝에서 제한 (산란방지) 시준기의 포함을 수용할 수 있다. 이 방법은 홀이 마이크로제조 기술을 이용하여 제조되는 고저항성 물질의 단일 시트로 가속기를 제조하는 것이다. 단지 가능성은 없지만 지지되는 물질은 마이크로칩의 제조에 이용되는 단결정의 도핑된 실리콘이다. 도핑은 보통 n형일 것이고(p형도 가능하지만), 도핑 밀도는 저항률의 범위가 1㏀m-㎝∼100㏁m-㎝로 되도록 해야 하지만 독점적이지는 않다. 이러한 물질의 박막 전체에 걸쳐 인가되는 전압은 저항성 물질을 통해 어떤 일직선 홀을 따라 균일한 전기장이 있다는 것을 보장할 것이다. 이 홀은 보통 가속기의 몸체가 있고 교번 절연성 박막 및 도전성 박막의 다층으로 구성된 칼럼에 대한 이전 용어와 일치하여 막연히 나노칼럼으로 칭해질 수 있는 얇은 웨이퍼나 막의 평행한 측에 형성된다(필름을 통과하는 개구가 나노미터 크기 범위에 있기 때문에 나노칼럼이 사용된다). 이 상황에서 전기장은 배출 홀을 따라 있기 때문에, 홀로 주입되는 전자를 가속시킬 수 있다. 통상적인 개구 50nm의 홀 위와 약 30nm 떨어져서 위치할 수 있는 나노팁은 팁상의 전압이 표면의 전압을 약 10볼트 초과하면 전계 방출 전자일 것이다. 반도체의 양쪽 표면은 반도체에서의 홀과 중심이 같은 홀이 형성되는 얇은 금속막으로 피복된다. 금속막에서의 홀의 직경은 반도체에서의 홀보다 작기 때문에 이들 개구는 산란방지 시준기로서 동작하고, 또한 전자빔 방출을 줄이기 위해 이용될 수 있다.In the previous embodiment, the accelerated nanocolumns consist of a multi-layered structure of alternating metal (conductive), an insulating layer with holes smaller than 100 nm in diameter is produced, and is a channel through which electrons pass. By applying a voltage to the conductive electrode, this assembly can generate a high electric field across the discharge opening in the column. This embodiment is a simpler method of making a nanocolumn or accelerator with the same effect as the previous assembly. In addition, this new device is simpler to manufacture and can accommodate the inclusion of limiting (antiscattering) collimators at both ends of the column. This method produces the accelerator from a single sheet of high resistivity material in which the holes are made using microfabrication techniques. Although only unlikely, the supported material is single crystal doped silicon used in the manufacture of microchips. Doping will usually be n-type (although p-types are possible), but the doping density should be in the range of resistivity from 1 μm-cm to 100 μm-cm, but not exclusively. The voltage applied across the thin film of this material will ensure that there is a uniform electric field along some straight holes through the resistive material. These holes are usually formed on the parallel side of a thin wafer or film, which can be vaguely referred to as a nanocolumn, in line with the previous term for a column consisting of alternating insulating and conductive thin films, with the body of the accelerator. Nanocolumns are used because the openings are in the nanometer size range). In this situation, the electric field is along the exit hole, which can accelerate electrons injected into the hole. The nanotips, which can be positioned about 30 nm away from the hole of a typical aperture 50 nm, will be field emission electrons if the voltage on the tip exceeds about 10 volts on the surface. Both surfaces of the semiconductor are covered with a thin metal film in which holes are formed at the same center as the holes in the semiconductor. Since the diameter of the holes in the metal film is smaller than the holes in the semiconductor, these openings operate as antiscattering collimators and can also be used to reduce electron beam emission.

집속된 전자와 빔장치에서의 이들 나노칼럼의 오퍼레이션은 다음과 같다. 네거티브 전압은 나노프로브에 가장 가까운 금속층에 인가되고, 보다 큰 네거티브 전압은 나노팁에 인가된다. 다른 반도체 표면상의 금속층은 대지전위에 있다. 이들 전압을 정확히 선택함으로써, 팁으로부터 방출된 전자는 집속될 수 있고 나노칼럼에서 홀 아래에서 가속화될 수 있다. 50nm 이하의 직경을 가진 전자의 거의 평행한 빔이 발생될 수 있다.The operation of these nanocolumns in focused electron and beam devices is as follows. The negative voltage is applied to the metal layer closest to the nanoprobe, and the larger negative voltage is applied to the nanotip. The metal layer on the other semiconductor surface is at ground potential. By correctly selecting these voltages, the electrons emitted from the tip can be focused and accelerated below the holes in the nanocolumns. An almost parallel beam of electrons with a diameter of 50 nm or less can be generated.

최상의 성능을 위해, 시준기 개구의 직경은 100nm 이하이고 실리콘의 두께는 0.5㎛ 이상일 필요가 있다. 이 배열이 효과적인 것이면, (나노스케일 홀의) 벽으로부터의 산란을 줄이고 빔의 총 방출을 줄이기 위해 장치가 시준기를 갖춘다는 것은 필수불가결한 것이다. 빔의 총 방출이 최종 빔스폿 크기에 비례하기 때문에 후자는 매우 중요할 수 있다. 따라서, 신중히 선택된 시준기를 이용함으로써 발생된 방출의 큰 감소는 최종 빔스폿 크기를 현저하게 감소시킬 수 있다. 나노스케일로 시준기를 제조하는데 2개의 방법을 이용할 수 있다. 첫번째 방법에 있어서는, 나노스케일 칼럼이 나노팁 전자소스에 가장 가까운 보다 작은 직경의 홀과 함께 그것 내에 원뿔형 홀을 갖추고 있다. 이렇게 하여 홀의 내부 벽으로부터의 전자빔의 산란은 크게 제거될 수 있다. 원뿔형은 시준이 필요한 위치에서 더 험준하게 줄어드는 홀의 개구가 형태로 대체될 수 있다. 이들 시준기는 필요에 따라 튜브의 양쪽 끝에서 형성될 수 있다. 다른 구조에 있어서, 홀의 어느 한 쪽이나 양쪽 끝에서 층을 덮는 얇은 금속은 시준기를 발생시키기 위해 이온에칭된다. 이것은 드라이 에칭기술이나 FIB 밀링기계를 이용하여 행해질 수 있다.For best performance, the diameter of the collimator opening needs to be 100 nm or less and the thickness of silicon needs to be 0.5 μm or more. If this arrangement is effective, it is indispensable for the device to have a collimator to reduce scattering from the walls (of the nanoscale hole) and to reduce the total emission of the beam. The latter can be very important because the total emission of the beam is proportional to the final beam spot size. Thus, a large reduction in emission generated by using carefully selected collimators can significantly reduce the final beam spot size. Two methods can be used to fabricate the collimator on a nanoscale. In the first method, the nanoscale column has conical holes in it with smaller diameter holes closest to the nanotip electron source. In this way the scattering of the electron beam from the inner wall of the hole can be largely eliminated. The cone can be replaced by an opening in the hole that shrinks more steeply in the position where collimation is required. These collimators can be formed at both ends of the tube as needed. In another structure, the thin metal covering the layer on either or both ends of the hole is ion etched to generate a collimator. This can be done using dry etching techniques or FIB milling machines.

표시되는 빔 방향(390)에 따른 장치의 나노스케일 섹션에 대한 입구에서 나노팁(314)으로 되는 전자소스를 갖춘 일반적인 배열을 도 9a 내지 도 9c에 나타낸다. 도 9a는 드라이 에칭기수렝 의해 50nm(통상적인 크기) 원형 홀이 제조되는 마이크론 두께의 물질부(301)를 나타낸다. 에칭이 신중히 제어되면 이 홀의 벽은 평행하게 이루어질 수 있다. 전체 현미경 칼럼이나 어셈블리는 이전 실시예에서 설명한 바와 같이 가속부와 비가속부를 갖추어 이루어질 수 있다. 개구(286, 288)를 제조하는 방법중 하나는 다음과 같다. 홀을 생성하는 동안, 등록 특징(registration feature; 398)은 개구 위치를 묘사하기 위해 표면상에서 발생된다. 그 후, 표면은 진공증착기술(소스로부터의 원자증착)에 의해 나노미터 두께의 금층으로 피복되고, 2~3nm 두께(통상적임)의 금박(312, 313)은 이 첫번째 층의 상부의 개구 위에 배치된다(만약 이것이 청정조건에서 행해지면 금박은 실리콘상의 진공증착된 금층에 접착할 것이다). 그 후, 이온빔 드릴링이나 드라이 에칭에 의해 이 금속박으로 개구(286, 288)를 발생시킬 수 있다(가능해지는 이 경우에는 금층이 가해진 후에 등록을 볼 수 있다는 것은 중요하다). 도 9b는 가속부에 대한 입구에서 특히 개구를 발생시키는 변형 방법을 나타낸다. 이 방법에 있어서 홀은 도시한 바와 같이 원뿔형 형상으로 테이퍼(taper)된다. 이 테이퍼링은 드라이 에칭 프로세스를 신중히 제어함으로써 발생될 수 있다. 상부 도전층(399)은 표준 진공증착방법을 이용하여 표면상에 금속을 증착시킴으로써 이루어진다. 이전 방법에 의해 만들어진 개구는 중간 도면에 나타낸 바와 같이 이 어셈블리 아래에 배치될 수 있다. 그러나, 중간 도면에 나타낸 것 아래에 그것 내의 테이퍼된 홀을 갖춘 제2웨이퍼를 둠으로써 이 위치에서 시준기를 제조하는 것이 가능하다. 그 후, 이것은 박막 금속(금)으로 이루어진 개구를 대신한다. 그것은 홀이 동심이도록 위치해 있는 (실리콘의) 분리된 얇은 웨이퍼로 이루어질 수 있거나, 전체 어셈블리는 원 피스(one piece)로 제조될 수 있다. 따라서, 시스템은 금속막으로 그것들의 편평한 측에 진공 피복된 양쪽 웨이퍼와 함께 원뿔형 홀을 갖춘 2개의 웨이퍼로 효과적으로 구성된다. 또한, 반드시 도 9c에 나타낸 바와 같은 테이퍼 형상일 필요는 없는 진성 물질의 웨이퍼로 시준기를 제조하는 것이 가능하다. 시준기는 어셈블리나 어셈블리 (웨이퍼)의 어느 한쪽이나 양쪽 끝에서 제조될 수 있다. 산란을 최소화시키거나 빔의 위상공간 방출을 줄이기 위해 이것들은 중첩된다.A general arrangement is shown in FIGS. 9A-9C with an electron source that becomes the nanotip 314 at the inlet to the nanoscale section of the device along the indicated beam direction 390. 9A shows a micron thick material portion 301 where a 50 nm (typically sized) circular hole is made by dry etcher. If the etching is carefully controlled, the walls of these holes can be parallel. The entire microscope column or assembly may be comprised of an accelerator and a non-accelerator as described in the previous examples. One method of making the openings 286 and 288 is as follows. During the creation of the hole, a registration feature 398 is generated on the surface to depict the opening position. The surface is then covered with a nanometer thick layer of gold by vacuum deposition techniques (atomic deposition from the source), with gold foils 312 and 313 2 to 3 nm thick (typically) above the opening on top of this first layer. (If this is done in clean conditions, the gold foil will adhere to the vacuum deposited gold layer on silicon). Thereafter, openings 286 and 288 can be generated with this metal foil by ion beam drilling or dry etching (in this case it is important that registration can be seen after the gold layer is applied). 9b shows a variant method of generating an opening, especially at the inlet to the accelerator. In this method the holes are tapered in a conical shape as shown. This tapering can occur by carefully controlling the dry etching process. The upper conductive layer 399 is made by depositing metal on the surface using standard vacuum deposition methods. The opening made by the previous method can be disposed under this assembly as shown in the middle figure. However, it is possible to manufacture the collimator in this position by placing a second wafer with tapered holes in it below that shown in the intermediate figure. This then replaces the opening made of thin film metal (gold). It may consist of separate thin wafers (of silicon) in which the holes are concentric, or the entire assembly may be manufactured in one piece. Thus, the system is effectively composed of two wafers with conical holes with both wafers vacuum coated on their flat sides with a metal film. It is also possible to manufacture the collimator from a wafer of intrinsic material which does not necessarily have to be tapered as shown in Fig. 9C. Collimators can be manufactured on either or both ends of the assembly or assembly (wafer). These are superimposed to minimize scattering or reduce phase space emission of the beam.

Claims (17)

나노미터 기술에 이용하는데 적당하고, 입자소스에 인접하여 배치된 추출개구를 갖추고 입자빔을 형성하기 위해 이러한 소스로부터 상기 추출개구로 입자를 추출할 수 있는 추출판과, 상기 빔의 에너지를 증대시키도록 추출된 입자를 가속화시킬 수 있는 입자 가속수단 및, 상기 입자빔을 시준할 수 있는 시준수단을 구비한 빔 발생기에 있어서,An extraction plate suitable for use in nanometer technology, having an extraction aperture disposed adjacent to a particle source and capable of extracting particles from such source to the extraction aperture to form a particle beam, and increasing the energy of the beam. In the beam generator having a particle accelerating means capable of accelerating the particles extracted so that the particles and the collimating means for collimating the particle beam, 상기 적어도 하나의 추출개구와 상기 가속수단은 100nm보다 작은 직경의 거의 평행한 입자빔을 제공하기 위해 상기 입자빔의 측면 팽창을 저지하는 것을 특징으로 하는 입자빔 발생기.And said at least one extraction aperture and said acceleration means inhibit lateral expansion of said particle beam to provide a substantially parallel particle beam of diameter less than 100 nm. 제1항에 있어서, 1nm보다 작은 직경의 집속된 입자빔을 측면에서 저지되는 입자빔으로부터 제공할 수 있는 집속수단을 더 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 입자빔 발생기.The particle beam generator according to claim 1, further comprising focusing means capable of providing a focused particle beam of diameter smaller than 1 nm from a particle beam blocked at the side. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 추출개구의 직경은 거의 5nm∼500nm 사이인 것을 특징으로 하는 입자빔 발생기.The particle beam generator according to claim 1 or 2, wherein the diameter of the extraction opening is between about 5 nm and 500 nm. 제3항에 있어서, 상기 추출개구의 직경은 거의 5nm∼100nm 사이인 것을 특징으로 하는 입자빔 발생기.4. The particle beam generator of claim 3, wherein the diameter of the extraction opening is between about 5 nm and 100 nm. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 가속수단은 스택으로 배열되고 서로 전기적으로 절연되는 복수의 가속판을 갖추고 있고, 각 가속판은 상기 추출된 입자가 상기 추출판과 제1가속판 사이 및 그 후 세로로 배열되는 각 쌍의 연속하는 인접한 가속판 사이의 전압의 인가시에 가속되는 연장된 가속개구를 형성하기 위해 상기 추출개구와 더불어 공통의 세로축을 공유하도록 배열된 개구를 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 입자빔 발생기.The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the particle accelerator has a plurality of accelerator plates arranged in a stack and electrically insulated from each other, wherein each of the accelerator plates comprises the extracted plate and the extraction plate. An opening arranged to share a common longitudinal axis with the extraction opening to form an extended acceleration opening that is accelerated upon application of a voltage between one acceleration plate and then between each pair of successive adjacent acceleration plates arranged vertically Particle beam generator, characterized in that provided with. 제1항 내지 제4항에 있어서, 상기 추출판은 적어도 하나의 저항물질과 절연물에 의해 제2컨덕터로부터 분리되는 제1컨덕터이고, 상기 가속수단은 상기 적어도 하나의 저항물질과 절연물과 상기 제2컨덕터를 통해 상기 추출개구로부터 연장하는 가속개구를 갖추고 있으며, 상기 추출된 입자는 상기 제1 및 제2컨덕터간의 차분전압의 인가시에 가속되는 것을 특징으로 하는 입자빔 발생기.The apparatus of claim 1, wherein the extraction plate is a first conductor separated from the second conductor by at least one resistor material and an insulator, and the acceleration means is the at least one resistor material and the insulator and the second conductor. And an acceleration opening extending from the extraction opening through a conductor, wherein the extracted particles are accelerated upon application of a differential voltage between the first and second conductors. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 저항물질과 절연물의 저항은 거의 1㏀∼무한대 사이에 있는 것을 특징으로 하는 입자빔 발생기.7. The particle beam generator of claim 6, wherein the resistance of the at least one resistive material and the insulator is between about 1 [mu] m to infinity. 제5항 내지 제7항에 있어서, 상기 가속개구의 직경은 거의 10nm∼1000㎛인 것을 특징으로 하는 입자빔 발생기.The particle beam generator according to claim 5, wherein the diameter of the acceleration opening is about 10 nm to 1000 mu m. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시준수단은 상기 가속개구와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 입자빔 발생기.The particle beam generator according to any one of claims 1 to 8, wherein the collimating means is formed integrally with the acceleration opening. 제9항에 있어서, 상기 시준수단은 상기 가속수단의 벽에 일체로 형성된 원뿔형으로 되어 있고, 이 원뿔형은 그 직경이 상기 가속화된 빔의 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는 입자빔 발생기.10. The particle beam generator according to claim 9, wherein the collimating means has a conical shape which is integrally formed on the wall of the accelerating means, the conical shape of which the diameter increases in the direction of the accelerated beam. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 시준수단은 상기 가속개구에 비해 더 작은 직경을 가진 적어도 하나의 개구를 갖추고 있고, 그 세로축에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 입자빔 발생기.The particle beam generator according to claim 9 or 10, wherein the collimating means has at least one opening having a smaller diameter than the acceleration opening, and is disposed on its longitudinal axis. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 그것과 통합되는 입자소스를 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 입자빔 발생기.12. The particle beam generator according to any one of claims 1 to 11, having a particle source integrated therewith. 제12항에 있어서, 상기 입자소스는 전계방출소스인 것을 특징으로 하는 입자빔 발생기.13. The particle beam generator of claim 12, wherein the particle source is a field emission source. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 전자입자소스와 함께 이용하는데 적합한 것을 특징으로 하는 입자빔 발생기.14. Particle beam generator according to any one of claims 1 to 13, which is suitable for use with an electron particle source. 제1항 내지 제13항에 있어서, 이온입자소스와 함께 이용하는데 적합한 것을 특징으로 하는 입자빔 발생기.14. The particle beam generator of claim 1, wherein the particle beam generator is suitable for use with an ion particle source. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 입자빔 발생기를 갖춘 것을 특징으로 하는 근거리 현미경.A near-field microscope comprising the particle beam generator according to any one of claims 1 to 15. 제1항 내지 제15항에 따른 입자빔 발생기를 갖춘 것을 특징으로 하는 마이크로칩.A microchip comprising the particle beam generator according to claim 1.