来自场发射源的发射参数的确定的制作方法

专利名称：来自场发射源的发射参数的确定的制作方法
技术领域：
本发明涉及场发射带电粒子源，并且特别地涉及用于使用电子束的仪器的电子源。
背景技术：
在多种多样的仪器中都使用电子束，所述多种多样的仪器包括电子显微镜、电子束光刻系统、临界尺寸测量工具以及各种其他检查、分析以及处理工具。在大多数仪器中，通过观察电子束与样本的相互作用的结果来获取关于样本的信息。在此类仪器中，由电子源发射电子并形成为射束，其被电子光学镜筒(column)聚焦和指引。电子源通常包括:发射体，从该发射体发射电子；引出(extraction)电极,其从发射体引出电子；以及抑制电极，其抑制远离发射体尖端的电子的不期望发射。理想的电子源产生可以被聚焦至纳米或亚纳米尺度斑点的电子，具有足以提供快速、一致的数据收集或电子束处理的电子流。此类电子源通常以具有发射电子之间的低能量散度(energy spread)、高亮度和长期稳定性为特征。低能量散度减少电子镜筒中的射束的色差，因为色差是由于具有不同能量的电子被聚焦至不同的点而引起的。为了被从固体表面释放，电子必须克服能量垒。此能量垒的高度被称为材料的“功函数”。电子源可以使用不同类型的发射体，其使用不同的方法来克服功函数。“热离子发射体”被丝极加热以便为电子提供足以克服能量垒并离开表面的热能。“场发射体”至少部分地依赖于电场以便从源拉出电子。“冷场发射体”使用电场来提供用于电子遂穿能量垒的条件，而不是为电子提供足以穿过该垒的热能。“肖特基发射体”(“SE”)使用降低功函数的涂层材料、用以提供热能的热量以及用以释放电子的电场的组合。SE通常在约1，800卡尔文下操作。肖特基电子源已经变成其中要求高亮度和/或小能量散度的电子光学系统中最广泛使用的源。另一类型的发射体(“热场发射体”)通常在比SE更高的温度下操作，并且与冷场发射体类似地操作，但是仅在高温下以获得增加的发射稳定性。发射体操作期间的高电场和/或高温导致发射体形状随时间推移而变化。图1A—IC示出了多种多样的发射体形状或“端部形状(end form)”。发射体可能将在1_3年的典型使用寿命期间采取全部的这三个端部形状。发射体端部形状被称为阶段0 (图1A)、阶段I (图1B)和阶段2 (图1C)。图1中所示的不同晶体小面增长或收缩，促使端部形状的整体形态改变，这接着又促使用于给定引出电压的场改变，并且因此发射特性改变。可以通过从镜筒移除源并将其安装在具体地设计的昂贵的测试设备中来确定电子源的发射特性。让操作员“就地”确定源的特性(即其中源被安装在聚焦镜筒中(诸如在扫描电子显微镜(“SEM”)或透射电子显微镜(“TEM”)中))当前是不切实际的。当前可用的就地技术需要超过大多数仪器操作员的技能的复杂程序。例如，用于推断SEM中的源亮度的一个当前可用方法需要在虚拟源尺寸受限模式下操作镜筒并测量斑点尺寸。这种技术取决于系统操作员使镜筒对准以获得最佳斑点尺寸且然后进行适当测量的能力。由于不存在用以就地评估SE的状态的准确方法，所以常常以用于零件的显著成本和用于仪器的停机时间过早地移除发射体。在以下参考文献中部分地描述了肖特基发射体领域中的当前知识:Liu等人在 J.Vac.Sc1.Technol.B 28(6) pp.C6C26-33 (2010)中所著的 “Field inducedshape and work function modification for the ZrO/W(100) Schottky Cathode”；Bahm 等人在 J.Vac.Sc1.Technol.B 26(6) pp.2080-2084 (2008)中所著的“Range ofValidity of Field Emission Equations，，;M.S.Bronsgeest 在 http://tnw.tudelft.nl/index.php id=33723&L=l, Delft University of Technology 中所著的 “Fundamentalsof Schottky Emission，，；Bronsgeest 等人在 J.Vac.Sc1.Technol.B 26(3) pp.949-955 (2008)中所著的“Probe current, probe size, and the practical brightnessfor probe forming Systems”； Handbook of Charged Particle Optics.第 2 版，J.0rloff editor, CRC Press (2008) ；Modinos 的 Field, Thermionic, and SecondaryElectron Emission Spectroscopy (Plenum Press, N.Y, 1984) ；Bahm 等人 J.App1.Phys.110 (2011) 054322。

发明内容
本发明的目的是简化场发射源的发射特性的确定。根据本发明的一个实施例，可以通过可以由操作员来执行的相对简单的测量而确定发射体的特性。申请人:已发现一系列相对简单的测量与发射体特性之间的数学关系取决于源几何结构且与发射体的形状无关。因此，可以针对特定的源几何结构导出该关系且然后可以将其应用于确定发射特性，甚至确定在发射体形状随时间推移而改变时的发射特性，而不必确定发射体形状且不必重新定义该关系。在一些实施例中，测量作为引出电压的函数的角度强度(angular intensity)。根据所测量的数据来确定场形因数贝塔(P )。然后可以将该场形因数与所测量的数据一起用来导出发射特性，诸如能量散度、虚拟源尺寸以及亮度，在现有技术中是难以在不从聚焦镜筒移除源并将其安装在专用设备中的情况下确定它们的。可以优选地“就地”确定发射特性，即不用将电子源从该电子源被安装在其中以供使用的仪器移除。前述内容已相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解随后的本发明的详细描述。在下文中将描述本发明的附加特征和优点。本领域的技术人员应认识到的是所公开的概念和特定实施例可以容易地被利用作为用于修改或设计其他结构以便执行本发明的相同目的的基础。本领域的技术人员还应认识到的是此类等价构造并不脱离如在所附权利要求中所阐述的本发明的范围。


为了更透彻地理解本发明及其优点，现在对结合附图进行的以下描述进行参考，在所述附图中:
图1A — IC示出了典型电子发射体在其使用寿命中将采取的发射体端部形状。图2A — 2C示出了用于确定发射体特性的三组方法。
图3示出了场形因数P与K(即发射表面处的角度强度与电流密度的比值的平方根)的关系的图表。图4示出了作为电流密度的函数的本征源直径与已校正的源直径的比值的图表。图5示出了作为角度强度的函数的本征能量散度与已校正的能量散度的比值的图表。图6示出了本发明的方法的流程图。图7不出了包含本发明的电子束系统。图8示出了作为电流密度的函数的对总能量散度Ae(B)的Boersch贡献的图表。图9示出了在没有库仑力相互作用的情况下的降低的亮度Br与本征Br(int)的关系的图表。图10示出了作为电流密度的函数绘制的0乘以对虚拟源尺寸的轨迹位移贡献dv(tra)的图。
具体实施例方式在优选实施例中，仪器操作员可以执行相对简单的测量并根据那些简单测量来确定电子源的特性。在现有技术中，不可以在源被安装在仪器中的同时确定那些源特性中的某些，而且只能使用耗费时间的一系列复杂测量来确定其他源特性。在一些实施例中可以在不将发射体从该发射体被安装在其中的聚焦镜筒移除的情况下执行根据本发明的简单测量。本发明的实施例提供较高准确度并反映出比现有技术方法更好的实际发射特性。在一些实施例中，凭经验来确定用户测量结果与导出的源特性之间的关系，例如通过将曲线拟合到针对特定源几何结构确定的数据。“凭经验确定”可以包括实际上从源引出并测量带电粒子和/或引出带电粒子的计算机建模和模拟。用“源几何结构”意指例如发射体、引出装置和抑制器之间的几何关系，与发射体尖端的形状相对。申请人已经发现简单测量结果与源特性之间的关系随着发射体尖端在操作期间改变形状而保持恒定，从而允许针对源几何结构一次确定该关系，并且然后用来随着发射体随时间的变化而表征发射体。通常将所测量的参数与源特性之间的关系写为包括取决于源几何结构的常数的等式。一旦已经针对特定的源几何结构确定了该常数，其就不会随着发射体随时间改变形状而改变。在一些实施例中，操作员根据电流-电压测量的简单集合来确定所有重要的发射体特性，在诸如SEM或TEM的电子聚焦系统中或在测试系统中就地获得所述电流-电压测量的简单集合是相对容易的。根据本发明的实施例的确定源特性通常不要求精密的测量设备或发射体端部形状的知识。在一些实施例中，可以通过用于发射体的所有实际形状和尺寸的数值数据与实验工作的组合来导出所述经验关系一根据不同的形状/尺寸来确定发射特性的所有需要是场形因数P的准确值，其为发射体处的电场与引出电压V的比值。可以如下所述地根据电流-电压(1-V)测量数据来获得3。在下述实施例中，各种公式与数值生成的数据的组合允许一个人使用安装在带电粒子束系统中的源、使用容易地测量或可从容易地测量的数据导出的1-V数据来准确地确定诸如虚拟源尺寸、能量散度以及亮度的发射体特性。
就地源特性表示提供了用于操作员容易地确定电子源的操作条件的方式。这可以降低所有者的客户成本和现场服务成本。例如，该信息可以用来确定将需要在什么时候替换源并在方便的时间制定维护计划。本发明的实施例还可以用来评估新电子源和镜筒设计，从而向设计师提供快速反馈并减少到新电子源和镜筒的销售的时间。另外，使用本发明的实施例确定的源特性可以用作用以调整镜筒操作以使其寿命内的性能最大化或制定维护计划的反馈机制。例如，由于从源发射的电子的能量散度随时间而变，所以可以改变电子镜筒的聚焦透镜以补偿增加的色差，诸如通过减小焦距。如果能量散度被确定为已增加，则可以减小角度强度以进行补偿，例如通过减小引出电压，以减小斑点尺寸。在这种解决方案中使用的若干个等式在电子源领域中是众所周知的，并且例如在L.ff.Swanson 和 G.A.Schwind 的 Handbook of Charged Particle Optics (CRC Press,Boca Raton Fl), J.0rloff ed., (2008)中已经公布了计算本征虚拟源尺寸的概念。在一些实施例中，通过计算机建模来确定用于SE源的源参数，诸如虚拟源尺寸dv以及总能量分布TED。由于发射体顶点与周围电极区域的维度比是大的，所以可以使用商用电荷密度边界元法程序来评估源几何结构。此类方法允许描述表面的单元的密度显著地改变，从而允许在发射体顶点处有比在远的引出电极处更大的密度。除表面电荷密度之外，可以计算垂直于表面的电场F，这又将允许计算发射电子的轨迹以及TED和dv。可以在包括和没有包括相互的库仑相互作用的情况下执行这些计算。因此还可以计算IVJ=K2的比值，其中，I ’是每单位立体角的轴向电流(角度强度)且J是发射表面处的轴向电流密度，也称为发射电流密度。以长度为单位的表达式K将包括发射体、抑制器以及引出装置的整个源区的透镜作用量化。此类边界元法程序允许图1的自上而下照片中所示的SE的三个主要平衡小平面形状之间的区别。在某些情况下，将根据四侧(110)平面是否与圆形的中心(100)平面相交来将阶段0端部形状分成阶段0-a或0-b。已经发现场形因数P = F/Vext的轴向值(其中，F和Vext分别是所施加的场和引出电压)随着K从1350nm至3350nm变化而遵循关于K的幂定律依赖关系。前一关系无论发射体端部形状如何都保持有效如在图3中观察到，并且允许实验I’值到发射体表面处的J的准确转换。
在图4中针对在图3中给出的相同发射体数据集并针对从0.25 mA/sr至1.0 mA/sr的I’值示出了用本征dv(int)(没有库仑相互作用)进行归一化的轴向dv (具有库仑相互作用)的计算值。独立于阶段端部形状针对dv/dv(int)而观察与J的线性关系。同样地，在图5中示出了包含用AE(int)值归一化的电流(Ae)的50%的TED曲线的值。在这种情况下，示出了得到计算值支持的实验值。可以以合理的准确度将该数据拟合到2阶多项式一再次地，该关系既未被各种端部形状阶段改变也未被宽范围的K值改变，该宽范围的K值从IlOOnm至4500nm改变。有趣的是从图4和5注意到在I ’ 0.5 mA/sr下,相互的库仑相互作用在其本征值内已使< 增加了 15%，而八1 值已增加50%。使用实验I’ (Vext)数据连同图3的0 (K)关系的另一计算机程序计算发射体功函数( 屮)和P值。利用K、t和F的值，任何人都能够确定AE(int)和dv(int)，其连同图4和5中的经验关系一起允许针对给定I’值计算具有相互的库仑相互作用的更实际的 <和Ae值。另外，可以根据& = 41’/Jidv2Vext = 1.44J/JikT来确定减小的亮度(BJ，其中，k是玻耳兹曼常数且T是发射体的温度。然而，应指出的是与Ae值相对比，dv具有对与发射体的距离的依赖关系，因此对于电子光学应用而言，在哪个平面中对其进行计算是有关系的。本申请人已经采用这样的惯例，即用于dv的测量平面定位于从发射体开始的下游3mm处。单独地，本申请人已发现本身服从对本征减小的亮度B,(int)的简单2阶多项式依赖关系。图9是示出了的依赖关系的图，其中，Bjint) = 1.44J/jikT是不存在库仑相互作用的情况下的减小的亮度。因此可以使用亮度与源尺寸之间的关系4 =41’ /(dv2Vext)来计算实际dv的确定。图2A、2B以及2C是示出了用于确定场发射源的发射体特性的步骤的流程图。本领域的技术人员将认识到该流程图中的每一个都是在本文中描述的本发明的不同实施例。在下文的讨论中，术语“本征”指的是未针对射束中的电子之间的库仑相互作用而校正的参数。术语“已校正”指的是已经针对库仑相互作用而校正的参数。图2A中的流程图示出了本发明的优选实施例。在步骤200中，使用多个不同的引出电压从源引出电子以确定引出电压与角度强度(即每单位立体角的电流密度)之间的关系。例如通过使射束在到发射体的已知距离处通过已知孔径并例如通过将射束指引到诸如法拉第杯的电极中来测量电流而确定角度强度。针对引出电压对所测量的角度强度进行绘图并通过将等式拟合到结果得到的曲线来确定关系。该曲线被称为I’ (Vext)曲线，并且测量结果也不同地称为I/V数据或1-V数据。如果使用抑制电极，则可以使抑制电极上的电压随着引出电压改变而保持恒定，或者更优选地，抑制电压与引出电压一致地改变，使得抑制电压和引出电压的比值在所有点处保持恒定。保持电压比值恒定将保证从一次测量至下一次测量可保持K。可以在不将源从电子镜筒移除的情况下执行测量，或者可以使用诸如在Liu等人在 J.Vac.Sc1.Technol.B 28(6) pp.C6C26-33 (2010)中所著的“Field inducedshape and work function modification for the ZrO/ff (100) Schottky Cathode，，中描述的设备在电子束镜筒外面执行测量。如果在源“就地”在镜筒中的情况下执行测量，则技术人员将理解的是如果在镜筒的底部处测量电流则可能需要改变一个或多个透镜的透镜强度以防止源与电流测量设备之间的镜筒中的非故意电流损耗。某些电子显微镜具有在那里可以在镜筒的上部中测量电流的位置。本发明的实施例提供了一种用以确定来自发射体的电子的发射能量散度Ae的方式。能量散度是用于表征发射体的重要参数，因为能量散度影响诸如电子显微镜的光学系统中的色差和斑点尺寸。能量散度的一个度量是FWHM，即在处于曲线的最大高度的一半处的峰值的任一侧上的点之间的能量曲线的宽度。能量散度的优选度量是FW50，即准确地包含总电流的一半的最窄能量间隔的宽度。优选地使用电场而不是引出电压以及电流密度J而不是角度强度来计算Ae。为了从I’(Vrait)数据导出Ae，因此在一些实施例中要求根据引出电压来确定电场并根据角度强度来确定电流密度。如上所述，可以使用场形因数P来使引出电压与电场相关。在步骤202中，将I’ (Vext)曲线输入到程序中以确定发射体的附加特性。该程序根据I’ (Vext)曲线来确定场形因数@、功函数(中)以及1(。这些确定可以用下面更详细地描述的多种方法来实现。在一些实施例中，可以根据如例如在L.W.Swanson等人在J.0rloff ed.,(2008)的 Handbook of Charged Particle Optics 中所述的 ln(I’)与 Vex/2 的关系的图的斜率来确定场形因数。锋利发射体将具有大的场形因数圆形发射体将具有较小的场形因数P。该场形因数0还受到影响电场的其他因素的影响，诸如发射体周围的元件的配置，包括发射体与引出装置之间的距离。一旦针对特定的源几何结构确定了场形因数对K的依赖关系P (K)，其就可以被用来获得有用的发射参数，无论发射体形状如何改变。先前已经认为将要求具有不同常数的不同等式以随着发射体通过图1的已知发射体阶段而使发射特性相关。这将需要确定用于每个发射体形状的不同关系，并且然后确定发射体形状以便确定将使用哪个关系来表征发射体。申请人意外地发现该关系相对独立于发射体形状。还可以使用将实验数据拟合至从基本场原理导出的理论数据的曲线拟合例程来根据I’ (Vext)曲线计算场形因数。曲线拟合程序找到源处的电场，其产生用于测量的I’ (Vext)曲线的最佳匹配。用于确定用于特定源几何结构的P的一个优选程序包括将如上所述的根据基本原理计算的J的值与实验确定的J相比较，其中，对于K的假设值而言，J=I’/K2。然后改变在确定用于K、J和F中的每一个的假设值时所使用的0和功函数，直至针对实验获取的I’与Vrait数据集的关系中的所有点在实验值与计算值之间实现一致为止。因此通过重复拟合近似来确定场形因数3。可以根据如上所述的电子轨迹模拟来确定K，并且可以确定作为K的函数的用于P的关系。使用这种方法，申请人导出了用于P (K)的以下等式:3 (K)=L 13X108 K_°_826，其中P以1/m为单位且K以nm为单位。针对特定源配置如上所述地导出常数1.13X IO8和-0.826，并且意外地发现P的计算对于不同条件的发射体而言是准确的。也就是说，一旦针对源几何结构或配置来确定，就会发现场形因数曲线甚至在随着发射体随时间而变且前进通过已知阶段时都是准确的。基于在本文中所述的方法，技术人员将能够计算用于不同源几何结构的常数，诸如不同的发射体-引出装置距离。在一个技术中，例如，通过模拟来对不同引出电压下的电子轨迹进行建模，并且然后确定对应于那些轨迹的电场。可以根据电子轨迹来确定K，而且可以根据模拟场与电压的比值来确定0。针对不同的发射体形状、针对不同的K和P重复这一点以提供曲线。可以对多 种发射体形状进行建模以通过模拟电子的发射并计算电子轨迹且发现场来确定用于不同发射体形状的K和P。比较K的不同值下的P产生作为在步骤202中使用的K的函数的P的关系。从而针对在图2中所使用的等式确定不同的常数，并且然后可以将图2的方法应用于不同的发射体配置。图3示出了不同发射体阶段的P与K的关系的图表，每个点是用上述曲线拟合方法确定的。图3示出了单个曲线拟合全部的三个不同发射体阶段的点，S卩0独立于发射体形状。这示出不需要知道发射体的形状以确定P并因此确定其他发射参数。图3中的描述到散射(scatter)的最佳曲线拟合的等式确定在步骤220中所使用的上述等式的常数。图3本身还可以用来在步骤202中确定P，虽然这不是确定P的优选方法。在步骤204中，使用基本发射体等式来计算射束的本征能量散度△ E (int)，诸如在Bahm 等人在 J.Vac.Sc1.Technol.B 26(6) pp.2080-2084 (2008)中所著的 “Rangeof Validity of Field Emission Equations” 和 Modinos 的 Field Thermionic andSecondary Electron Emission Spectroscopy (Plenum Press, N.Y, 1984)中所描述的那些。还如上所述地根据P和功函数来计算电流密度J。
在步骤206中，计算能量散度校正因数Ae(B)。使用关系式Ae(B) =6.9X 10_n J￠-2 19 + 0.088来计算该因数，其是根据实验能量分布宽度值与其所对应的本征能量散度值的比较所确定的。校正因数是唯一的非负数，其在与本征能量散度AE(int)正交组合时给出已校正的能量散度Ae。图8示出了针对四个不同发射体配置作为以安培每平方米为单位的电流密度的函数的以电子伏特为单位的对总能量散度的Boersch贡献Ae(B)的图表。图8中的图示出了一定范围的操作条件内的用于许多发射体的能量散度校正因数对源电流密度J的线性依赖关系。每个曲线的斜率都是由比例常数设定的，该比例常数对场形因数P具有幂定律式依赖关系，即8.05X 10_n P _°_826。图例中的解释性值给出对应于特定源识别号的P值。在步骤208中，与能量散度校正因数正交地对本征能量散度求卷积以根据关系AE=(AE(int)L67 + Ae(B)1I1A67来提供已校正的能量散度。指数1.67是通过到实验数据的最佳拟合确定的且独立于发射体配置。在步骤210中，使用先前已描述的关系(int)=l.44 J/( n kT)来计算本征亮度Br(Int)0系数1.44是从点源的物理性质导出的且独立于发射体配置。在步骤212中，根据关系Br= -1.45 X IO^10 Br(int)2 + 0.792 Br(Int)来计算作为本征亮度的二次函数的已校正的亮度4。此二次表达式中的常数的选择是通过到如图9所示的已校正亮度与本征亮度的关系的图的曲线拟合而确定的，图9示出了没有如通过粒子跟踪模拟所确定的库仑相互作用的情况下的减小的亮度4与本征BJint)的关系的图表。图9示出用于不同发射体阶段的点沿着同一条线落下。此等式中的常数的特定值因此取决于引出配置的细节而不是尖端形状或状态。技术人员将认识到的是在不同引出配置的情况下可能要求对常数的调整，但是此类调整并不脱离本发明。 在步骤214中，用关系<=(4 K2 J / (JI BJext))1/2、根据已校正亮度来确定虚拟源尺寸dv。可以用用于上述亮度的定义的代数运算来导出此关系。已知各种发射参数，包括减小的亮度、能量散度以及虚拟源尺寸，操作员可以在判定框220中判定是否要求任何动作。如果不要求动作，则操作员可以在通过重复来自框200的过程来检查未来时间的发射质量之前在框222中操作电子源达一段时间。如果操作员看到发射特性已经改变或者其不是最佳的，则操作员可以在步骤224中采取行动。例如，操作员可以根据一个测量结果或根据一系列测量结果来确定源正在退化并制定替换计划。示出随时间改变的发射体特性的一系列测量结果可以提供发射体的剩余寿命的估计。在某些情况下，操作员可以基于发射体的条件来调整源和/或电子镜筒的操作。操作员可以使在源的寿命内在显微镜上的性能最大化。例如，在样本处保持期望的斑点尺寸通常是期望的。如果能量散度已增加，则斑点尺寸将由于聚焦系统中的增加的色差效应而变得更大。可通过减小引出电压，通过减小发射体的角度强度来减小斑点尺寸。改变镜筒透镜的焦距也将影响色差且可以用来在一定程度上补偿增加的能量散度。如果图2中的计算示出减小的亮度的下降，则可以通过增加引出电压以在射束中提供附加电流来补偿该减小。图2B中的流程图示出本发明的替换实施例。上文已描述了步骤200、202和204。在步骤230中，根据K、源温度T以及引出电压V来计算本征虚拟源尺寸。本征虚拟源尺寸与K之间的关系是已知的且已经描述,例如上文所引用的Zfeflofeoo左of Charged ParticleOptics。一个实施例使用dv(int)=l.67(K) (kT/Vext)1/2形式的等式,其中，dv(int)是本征虚拟源尺寸，k是玻耳兹曼常数，并且如上所述，K是比值I’ /J的平方根，T是源的温度，并且V6xt是引出电压。在步骤232中，根据本征虚拟源尺寸来确定已校正的虚拟源尺寸。图4示出了针对J绘制的dv/dv(int)的比值。图4的数据点是通过轨迹建模或轨迹测量确定的。用< =(C2J2 + C1J + C0)dv(int)形式的等式来拟合该数据。通过将数据点拟合到曲线来确定常数“Q/’ZC/’和“C2” ;在一个源配置中，当以SI单位安培每平方米为单位来表示J时，发现其分别具有值0.97、9.3X10_1(I和一 3.4X10_19。由于用于不同发射体点的所有点落在同一曲线上，所以图4再次示出 <和dv(int)之间的关系独立于发射体的阶段。在可选步骤234中，使用表达式I’=J (K)2，根据电流密度和K来计算角度强度。步骤234充当对先前计算的检查。所计算的角度强度应与在步骤200中所测量的角度强度相同，优选地在五个百分比内且更优选地在一个百分比内。如果所计算的角度强度并未与来自步骤200的所测量的电流密度一致，则重复早先的曲线拟合步骤以更准确地确定场形因数。在步骤236中，根据AE(int)来计算发射体的已校正的能量散度AE。为了确定八￡和AE(int)的关系，在多种多样的角度强度下测量Ae，并且针对那些角度强度来计算AE(int)。针对角度强度对八￡与AE(int)的比值进行绘制，并且将结果得到的曲线拟合到I’中的多项式方程。通过找到提供曲线到数据的最佳拟合的系数来确定多项式方程的系数。图5示出了用于特定源配置的针对I’绘制的Ae /AE(int)的图。发现用于图5中的数据的最佳拟合多项式函数是Ae =(0.37I’2 + 1.16I’+1.06) AE(int)。申请人意外地发现该系数针对特定的源几何结构保持相对恒定，即使随着发射体条件随时间推移或随不同的发射体而变。也就是说，八￡和AE(int)之间的关系与发射体的阶段无关。因此该关系保持有效，并且提供关于发射体的 整个使用寿命内的能量散度的信息。某些用户优选使用被定义为电流除以归一化发射率的减小的亮度来表征源发射。在步骤238中，使用关系B,=4I’ /(Jidv2Vext)来计算减小的亮度，其包括先前在步骤232中针对dv计算的值。步骤220、222以及224与上文相对于图2A所述的那些相同。图2C中的流程图示出了本发明的替换实施例。上文已描述了步骤200、202、204和230。在步骤240中，使用涉及所计算的电流密度J和所计算的场形因数P的三阶多项式方程(即 dv(tra) = ( 3 X IO-27J3 + 1X10_17J2 + IXKT8J + 0.4) / 3 )来计算用于由于轨迹位移而引起的虚拟源尺寸的增长的校正因数(1力1^)。图10示出了对于图9中所示的相同发射体针对以安培每平方米为单位的电流密度绘制的轨迹位移乘以0的乘积。图9中的实心黑色曲线示出了三阶多项式等式，其很好地类似于散射。可确定针对特定源几何结构中的所有发射体获得的关系dv(tra) = (3X IO-27J3 + I X KT17J2 + 1X10, + 0.4)/3，无论发射体阶段或操作条件如何。本领域的技术人员将认识到将需要对此关系的略微修改以便将其适用性扩展至其他源几何结构。在步骤242中，使用dv=(dv(int)2 + dv(tra)2)1/2 (即通过对虚拟源尺寸的本征和轨迹位移贡献的正交叠加)来计算已校正的虚拟源尺寸。先前已描述了步骤206、208、236以及之后。
如上所述，在图2A - 2C的步骤中的计算中所使用的常数对于特定源几何结构有效。该常数是根据源几何结构确定的，诸如发射体至引出装置距离、发射体在抑制器帽上的突出以及孔径的位置。图2A — 2C的步骤使用实验数据和建模数据的组合来创建临界拟合，并且该步骤适用于发射体的几乎任何形状和尺寸。根据场形因数，任何人可以确定所有临界参数。不需要确定或知道发射体的微观几何结构。源或射束的许多特性可以以不同的方式来定义，并且本发明不限于任何特定定义。例如，虽然本示例使用FW50作为发射能量散度的测量，但还可以使用其他测量，诸如高斯能量分布的指定数目的标准偏差或落到最大值的1/2的能量分布曲线的宽度(FWHM)。所使用的亮度参数可以是被定义为电流除以归一化发射率的减小的亮度，或者本实施例可以使用其他亮度测量定义。图6概括了本发明的实施例。在框602中，确定可从用于特定源几何结构的容易地测量的值导出的源特性和参数之间的关系。这可能需要例如在框604中确定场形因数3和K之间的关系、在框606中确定dv/dv (int)与J之间的关系以及在框608中确定场Ae /AE(int)与I’之间的关系。如上文所述和在图3 - 5中所示，可以通过对根据实验、模拟以及基本发射体理论确定的值进行绘图来确定这些关系。一旦针对特定源配置确定了这些关系，就可以被操作员用来在框610中根据所测量的数据来确定源的特性。在框612中，从具有与框602中的源相同的几何结构的源获得可容易测量的值。例如，可以在不同的引出电压下测量角度强度。在框614中，从所测量的值导出诸如P、K和tP的参数。在框616中，使用来自框602的关系、来自框612的测量结果以及来自框614的参数来确定源特性。在步骤620中，操作员可以基于所确定的源特性来采取行动，诸如使镜筒最优化、替换源或制定维护计划。图7示出了在真空室706内结合了场发射电子源704的电子束系统702 (诸如扫描电子显微镜)的框图。电子束系统702还包括可插入角度强度测量设备708、电子镜筒710、二次粒子检测器712以及镜台716上的样品714。角度强度测量设备708通常包括孔径720和法拉第杯722，但还可以使用其他配置。测量设备708被插入电子束的路径中以便表征源的发射或从路径移除该测量设备708以用于正常的电子束操作。插入和移除可以是手动或自动的。控制器726自动、通过操作员指令或通过两者的组合来控制系统702中的某些或所有部件。可以在不使用控制器726的情况下手动地执行某些方法步骤。例如，如果在步骤220中确定要求任何动作，则控制器726可以执行动作或警告操作员执行操作。控制器726通常执行图2中的计算步骤。控制器726通常包括处理器728 (诸如微处理器、微控制器或可编程逻辑阵列)以及存储计算机可读指令和数据的存储器730。在本文中所使用控制器726可以包括多个设备，诸如嵌入系统702中的处理器和个人计算机，并且可以在任一者或两者上执行上文所述的步骤。本发明的实施例还可以包括存储用于执行图2的指令中的一个或多个的计算机可读介质。在正常操作中，通过控制器726或手动地使电子束指向样品714，并且使用由检测器712所检测的二次粒子在显示器722上显示工件的图像。以示例的方式提供电子束系统702，并且根据本发明的系统在其应用方面不限于所示的配置。相当令人惊讶的是，作者已经发现用本征减小的亮度的二次函数可很好地表征用于发射体的减小的亮度，无论发射体阶段或操作条件如何。图9示出了作为本征减小的亮度的函数绘制的用于所有端部形状阶段的许多发射体的减小亮度的散射图。已经获得了与二阶多项式定律的优良一致性。图10示出了作为发射体电流密度的函数绘制的0乘以对虚拟源尺寸的轨迹位移
-Tj.士 [>贝献。根据本发明的一些实施例，一种确定场电子源的发射特性的方法包括；使用不同的引出电压连续地从场电子源引出电子，在多个引出电压下测量电子电流以确定角度强度I’与引出电压之间的关系，根据该关系和射束几何结构来确定功函数和对应于发射表面处的所施加的电场与引出电压的比值的场形因数P，根据角度强度和射束几何结构来确定发射电流密度J，J是在发射体表面位置处定义的，根据场形因数、引出电压、功函数以及源温度来确定本征发射能量散度，根据射束几何结构、源温度以及引出电压来确定本征虚拟源尺寸dv(int)，根据本征发射能量散度和角度强度来确定已校正的发射能量散度，根据发射电流密度来确定已校正的虚拟源尺寸dv，以及根据角度强度、已校正的虚拟源尺寸以及引出电压来确定射束亮度。在一些实施例中，确定射束亮度包括确定减小的射束亮度。另外，在一些实施例中，在多个引出电压下测量电子电流以便确定角度强度I’与引出电压之间的关系包括指引电子束通过具有已知直径的孔径并进入法拉第杯。在一些实施例中，确定作为A乘以Kb的形式的函数的场形因数P，其中，K是比值I’ /J的平方根且A和B是由源配置确定的，并且相对独立于发射体条件。在一些实施例中，确定已校正的虚拟源尺寸dv包括将已校正的虚拟源尺寸 <确定为(DJ + I)乘以本征虚拟源尺寸dv(int)形式的函数，其中，D是常数且J是发射电流密度，dv(int)是用公知的表达式CK (kT/Vext)1/2找到的，其中，C是常数，K是比值I’ /J的平方根，k是玻尔兹曼常数，T是发射体的温度，并且Vrart是引出电压。在一些实施例中，确定已校正的虚拟源尺寸dv包括将已校正的虚拟源尺寸 <确定为dv=(dv(int)2 + dv(tra)2)1/2形式的函数，其中，dv(int)是本征虚拟源尺寸且dv(tra)是针对由于射束中的库仑相互作用而引起的轨迹缺陷进行校正的虚拟源尺寸加宽项，dv(tra)是场形因数P和发射电流密度的函数。在一些实施例中，确定场电子源的发射特性的方法还包括将角度强度计算为电流密度乘以K的平方并将所计算的角度强度与所测量的角度强度相比较。另外，在一些实施例中，确定场电子源的发射特性的方法还包括如果所计算的角度强度与所测量的角度强度相差多于5%，则重新计算场形因数。在一些实施例中，确定场电子源的发射特性的方法还包括基于源发射特性来调整聚焦镜筒的光学元件。另外在一些实施例中，调整光学元件包括调整引出电压、抑制电压或发射体温度。在一些实施例中，确定场电子源的发射特性的方法还包括基于所计算的发射能量散度、所计算的亮度或导出的虚拟源尺寸将发射体从设备(service)中移除。根据本发明的一些实施例，根据射束性质的测量结果来确定在电子束系统中使用场发射的电子源的特性的方法包括改变施加于场发射电子源的引出电压并测量不同引出电压下的发射的一个或多个特性，确定引出电压与测量特性中的一个或多个之间的关系，根据该关系来计算对应于所施加的电场与引出电压的比值的场形因数P，该计算包括AKx形式的表达式，其中，A和X是源几何结构的函数且独立于发射体尖端条件，以及根据该场形因数来确定源的至少一个附加导出的特性。在一些实施例中，确定场电子源的发射特性的方法还包括响应于源的附加导出特性中的一个的值来改变电子束系统以保持电子束系统的期望操作特性。在一些实施例中，针对射束内的库仑相互作用校正所述至少一个附加导出特性。另外在一些实施例中，根据场形因数来确定至少一个附加导出特性包括确定射束亮度、虚拟源尺寸或发射能量散度。在一些实施例中，确定引出电压与测量特性中的一个或多个之间的关系包括确定角度强度与引出电压之间的关系。另外，在一些实施例中，根据场形因数来确定源的至少一个附加导出特性包括使用关系式来确定本征虚拟源尺寸dv(int)，所述关系式包括作为源几何结构的函数且独立于发射体条件的因数。在一些实施例中，确定引出电压与测量特性之间的关系还包括根据本征虚拟源尺寸和发射电流密度乘以作为源几何结构的函数且独立于发射体条件的第二因数来确定针对库仑相互作用进行校正的虚拟源尺寸。在一些实施例中，根据场形因数来确定至少一个附加导出特性包括确定发射能量散度。另外，在一些实施例中，确定发射能量散度包括根据未校正的发射能量散度和包括角度强度乘以作为源几何结构的函数且独立于发射体条件的因数的校正因数来确定针对库仑相互作用进行校正的发射能量散度。在一些实施例中，校正因数包括I’的幂级数，并且该幂级数的系数是源几何结构的函数且独立于发射体条件。在一些实施例中，确定发射能量散度包括根据未校正的发射能量散度和包括发射电流密度与场形因数的幂的乘积的校正因数来确定针对库仑相互作用进行校正的发射能
量散度。在一些实施例中，根据场形因数来确定至少一个附加导出特性包括根据角度强度、虚拟源尺寸以及引出电压或根据温度和发射电流密度来确定减小的射束亮度。另外，在一些实施例中，确定减小的射束亮度包括确定针对库仑相互作用进行校正的减小的射束亮度。在一些实施例中，已校正的减小的射束亮度是未校正的减小的射束亮度的多项式展开。根据本发明的一些实施例，一种电子束设备包括场发射源、用于确定电极射束的角度强度的测量设备以及处理器，该处理器用于确定与在发射表面处施加的电场和引出电压的比值相对应的场形因数@、根据该场形因数、引出电压、功函数以及源温度来确定本征发射能量散度、根据射束几何结构、源温度以及引出电压来确定本征虚拟源尺寸dv(int)、根据本征发射能量散度和角度强度来确定已校正的发射能量散度、根据电流密度来确定已校正的虚拟源尺寸dv以及根据角度强度、已校正的虚拟源尺寸和引出电压来确定射束亮度。根据本发明的一些实施例，一种计算机可读介质包括存储的计算机指令，其用于确定与在发射表面处施加的电场与引出电压的比值相对应的场形因数P、确定与角度强度与发射表面处的电流密度的比值相对应的源区透镜因数、根据场形因数、引出电压、功函数以及源温度来确定本征发射能量散度、根据源区透镜因数、源温度以及引出电压来确定本征虚拟源尺寸dv(int)、根据本征能量散度和角度强度来确定已校正的发射能量散度、根据电流密度来确定已校正的虚拟源尺寸dv、以及根据角度强度、已校正的虚拟源尺寸和引出电压来确定射束亮度。应认识到的是可以经由计算机硬件或软件或两者的组合来实现本发明的实施例。可以使用标准编程技术在计算机程序中实现该方法一包括配置有计算机程序的计算机可读存储介质，其中，这样配置的存储介质促使计算机以特定和预定义方式一根据在本说明书中所述的方法和图进行操作。可以用高级程序或面向对象编程语言来实现每个程序以与计算机系统通信。然而，如果需要，可以用汇编或机器语言来实现程序。在任何情况下，该语言可以是编译或解释语言。此外，该程序可以在为了该目的而编程的专用集成电路上运行。此外，可以在任何类型的计算平台中实现方法，所述计算平台包括但不限于个人计算机、微型计算机、主机、工作站、联网或分布式计算环境、单独的、与带电粒子工具或其他成像设备、传感器等成一整体或通信的计算机平台。可以以存储在存储介质或器件上的存储器中的机器可读代码来实现本发明的方面，所述存储介质或器件是可移动的或与计算平台(诸如硬盘、光学读和/或写存储介质、RAM、ROM等)成一整体，使得其可被可编程计算机读取，以便在存储介质或器件被计算机读取时配置且操作计算机以执行本文所述的程序。此外，可以通过有线或无线网络来传输机器可读代码或其部分。当这些以及其他各种类型的计算机可读存储介质包含用于与微处理器或其他数据处理器相结合地实现上文所述的步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括此类介质。当计算机本身被根据本文所述的方法和技术进行编程时，本发明也包括计算机本身。可以将计算机程序应用于输入数据以执行本文所述的功能并从而对输入数据进行变换以生成输出数据。该输出信息被应用于诸如像差校正器之类的一个或多个输出设备或显示监视器。在本发明的优选实施例中，经变换的数据表示物理和有形对象，并且实施例可以在显示器上产生物理和有形对象的特定直观描述。本发明的优选实施例可以利用粒子束设备、能量束设备或使用物理探针尖端以便对样本进行成像的设备。用来对样本进行成像的此类射束或物理探针固有地与样本相交互，导致某种程度的物理变换。此外，遍及本说明书，利用诸如“计算”、“确定”、“测量”、“生成”、“检测”、“形成”、“重置”、“读取”、“减去”、“检测”、“比较”、“获取”、“映射”、“记录”、“变换”、“改变”等术语的讨论还参考计算机系统、传感器或类似电子设备的动作和过程，其在计算机系统内操纵被表示为物理量的数据并将其变换成在计算机系统或其他信息存储、传输或显示设备内被类似地表示为物理量的其他数据。本发明具有广泛的适用性，并且可以提供如在以上示例中所述和所示的许多益处。实施例将根据特定应用而大大地改变，并且并不是每个实施例都将提供本发明可实现的所有益处且达到所有目标。适合于执行本发明的一些实施例的粒子束系统可从例如本申请的受让人、FEI公司购买到。此外，每当在本文中使用术语“自动”、“自动化”或类似术语时，应将那些术语理解成包括自动或自动化过程或步骤的手动初始化。在以下讨论中和权利要求中，以开放式方式来使用术语“包括”和“包含”，并且因此应将其解释成意指“包括但不限于...”。在本说明书中未特别地定义任何术语的程度上，意图是将对该术语给予其简单且普通的意义。附图意图帮助理解本发明，并且除非另外指明，否则不按比例描绘。虽然已经详细地描述了本发明及其优点，但应理解的是在不脱离由所附权利要求定义的本发明的范围的情况下，可以在本文中进行各种修改、替换以及变更。并不是在每个实施例中都计算源的所有参数和特性。不同的实施例可以测量不同的测量参数并计算不同的导出参数。本发明可以适用于场发射离子源以及电子源。此外，本申请的范围并不意图局限于在本说明书中描述的过程、机器、制品、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。本领域的普通技术人员根据本发明的公开将认识到的是根据本发明，可以利用目前存在或稍后将开发的过程、机器、制品、物质组成、装置、方法或步骤，其可以执行与本文所述的相应实施例基本上相同的功能或实现基本上相同的结果。因此，所附权利要求意图在其范围内包括此类过程、机器、制品、物质组成、装置、方法或步骤。
权利要求
1.一种确定场电子源的发射特性的方法，包括: 使用不同的引出电压连续地从所述场电子源引出电子； 在多个引出电压下测量电子电流以确定角度强度I’与引出电压之间的关系； 根据所述关系和射束几何结构来确定功函数以及与在发射表面处施加的电场与引出电压的比值相对应的场形因数e; 根据所述角度强度和射束几何结构来确定发射电流密度J，J是在发射体表面位置处定义的； 根据场形因数、引出电压、功函数以及源温度来确定本征发射能量散度； 根据射束几何结构、源温度以及引出电压来确定本征虚拟源尺寸dv(int)； 根据本征发射能量散度和角度强度来确定已校正的发射能量散度； 根据发射电流密度来确定已校正的虚拟源尺寸dv ;以及 根据角度强度、已校正的虚拟源尺寸以及引出电压来确定射束亮度。
2.根据权利要求1的方法，其中，确定射束亮度包括确定减小的射束亮度。
3.根据权利要求1或权利要求2的方法，其中，在多个引出电压下测量电子电流以便确定角度强度I’与引出电压之间的关系包括指引电子束通过具有已知直径的孔径并进入法拉第杯。
4.根据前述权 利要求中的任一项的方法，其中，场形因数P被确定为A乘以Kb的形式的函数，其中，K是比值I’/J的平方根，A和B是由源配置确定的且相对独立于发射体条件。
5.根据前述权利要求中的任一项的方法，其中，确定已校正的虚拟源尺寸<包括将已校正的虚拟源尺寸dv确定为(DJ + I)乘以本征虚拟源尺寸dv(int)形式的函数，其中，D是常数且J是发射电流密度，dv(int)是通过公知的表达式CK (MVVrait)"2找到的，其中，C是常数，K是比值I’ /J的平方根，k是玻尔兹曼常数，T是发射体的温度，并且Vext是引出电压。
6.根据权利要求1一 4中的任一项的方法，其中，确定已校正的虚拟源尺寸dv包括将已校正的虚拟源尺寸dv确定为dv=(dv(int)2 + dv(tra)2)1/2形式的函数，其中，dv(int)是本征虚拟源尺寸且dv(tra)是针对由于射束中的库仑相互作用而引起的轨迹缺陷进行校正的虚拟源尺寸加宽项，dv(tra)是场形因数P和发射电流密度的函数。
7.根据前述权利要求中的任一项的方法，还包括将角度强度计算为电流密度乘以K的平方并将所计算的角度强度与所测量的角度强度相比较。
8.根据权利要求7的方法，还包括如果所计算的角度强度与所测量的角度强度相差多于5%，则重新计算场形因数。
9.根据前述权利要求中的任一项的方法，还包括基于源发射特性来调整聚焦镜筒的光学元件。
10.根据权利要求9的方法，其中，调整光学元件包括调整引出电压、抑制电压或发射体温度。
11.根据前述权利要求中的任一项的方法，还包括基于所计算的发射能量散度、所计算的亮度或导出的虚拟源尺寸将发射体从设备中移除。
12.一种根据射束性质的测量结果来确定在电子束系统中使用场发射的电子源的特性的方法，包括:改变施加于所述场发射电子源的引出电压并在不同引出电压下测量发射的一个或多个特性； 确定引出电压与测量特性中的一个或多个之间的关系； 根据该关系来计算与所施加的电压和引出电压的比值相对应的场形因数0，该计算包括AKx形式的表达式，其中，A和X是源几何结构的函数且独立于发射体尖端条件；以及 根据所述场形因数来确定源的至少一个附加导出特性。
13.根据权利要求12的方法，还包括响应于源的所述附加导出特性中的一个的值来改变电子束系统以保持所述电子束系统的期望操作特性。
14.根据权利要求12或权利要求13的方法，其中，针对射束内的库仑相互作用对所述至少一个附加导出特性进行校正。
15.根据权利要求12- 14中的任一项的方法，其中，根据场形因数来确定至少一个附加导出特性包括确定射束亮度、虚拟源尺寸或发射能量散度。
16.根据权利要求12- 15中的任一项的方法，其中，确定引出电压与测量特性中的一个或多个之间的关系包括确定角度强度与引出电压之间的关系。
17.根据权利要求16的方法，其中，根据场形因数来确定源的至少一个附加导出特性包括使用包括作为源几何结构的函数且独立于发射体条件的因数的关系式来确定本征虚拟源尺寸dv(int)。
18.根据权利要求17的方法，还包括根据本征虚拟源尺寸和发射电流密度乘以作为源几何结构的函数且独立于发射体条件的第二因数来确定针对库仑相互作用进行校正的虚拟源尺寸。
19.根据权利要求16的方法，其中，根据场形因数来确定至少一个附加导出特性包括确定发射能量散度。
20.根据权利要求19的方法，其中，确定发射能量散度包括根据未校正的发射能量散度和包括角度强度乘以作为源几何结构的函数且独立于发射体条件的因数的校正因数来确定针对库仑相互作用进行校正的发射能量散度。
21.根据权利要求20的方法，其中，所述校正因数包括I’的幂级数，并且该幂级数的系数是源几何结构的函数且独立于发射体条件。
22.根据权利要求19的方法，其中，确定发射能量散度包括根据未校正的发射能量散度和包括发射电流密度与场形因数的幂的乘积的校正因数来确定针对库仑相互作用进行校正的发射能量散度。
23.根据权利要求16的方法，其中，根据场形因数来确定至少一个附加导出特性包括根据角度强度、虚拟源尺寸以及引出电压或根据温度和发射电流密度来确定减小的射束亮度。
24.根据权利要求23的方法，其中，确定减小的射束亮度包括确定针对库仑相互作用进行校正的减小的射束亮度。
25.根据权利要求24的方法，其中，其中已校正的减小的射束亮度是未校正的减小的射束亮度的多项式展开。
26.—种电子束设备,包括: 场发射电子源；测量设备，其用于确定电极射束的角度强度；以及处理器，其用于: 确定与在发射表面处施加的电场与引出电压的比值相对应的场形因数e ; 根据所述场形因数、引出电压、功函数以及源温度来确定本征发射能量散度； 根据所述射束几何结构、源温度以及引出电压来确定本征虚拟源尺寸dv(int)； 根据所述本征发射能量散度和角度强度来确定已校正的发射能量散度； 根据电流密度来确定已校正的虚拟源尺寸dv;以及 根据所述角度强度、已校正的虚拟源尺寸以及引出电压来确定射束亮度。
27.一种包括存储的计算机指令的计算机可读介质，该计算机指令用于:确定与在发射表面处施加的电场与引出电压的比值相对应的场形因数3 ；确定与角度强度和发射表面处的电流密度的比值相对应的源区透镜因数；根据所述场形因数、引出电压、功函数以及源温度来确定本征发射能量散度；根据所述源区透镜因数、源温度以及引出电压来确定本征虚拟源尺寸dv(int)；根据所述本征能量散度和角度强度来确定已校正的发射能量散度；根据电流密度来确定已校正的虚拟源尺寸dv ;以及根据所述角度强度、 已校正的虚拟源尺寸以及引出电压来确定射束亮度。
全文摘要
本发明涉及来自场发射源的发射参数的确定。通过电流如何随引出电压而变的测量可以确定发射体的状态。由在不同条件下发射的带电粒子的一系列相对简单的测量结果来确定场形因数β函数。然后可以使用该场形因数来确定发射的导出特性，在现有技术中是难以在不将源从聚焦镜筒移除并将其安装在专用设备中的情况下确定它们的。该关系式是由源配置确定的且已经发现其独立于发射体形状，并且因此可以随着发射体形状随时间推移而变来确定发射特性，而不必确定发射体形状且不必重新定义场形因数与所述一系列相对简单测量结果之间的关系式以及场形因数与其他发射参数之间的关系。
文档编号H01J9/44GK103198990SQ20131000572
公开日2013年7月10日 申请日期2013年1月8日 优先权日2012年1月9日
发明者L.W.斯万森, G.A.施温德, S.克罗格, 刘坤 申请人:Fei 公司