维恩过滤器和带电粒子束成像设备
阅读说明：本技术 维恩过滤器和带电粒子束成像设备 (Wien filter and charged particle beam imaging apparatus ) 是由 孟庆浪 孙伟强 赵焱 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：提供维恩过滤器、和带电粒子束成像设备,维恩过滤器包括：静电偏转器,包括至少一对成对对置电极,每个电极包括构造为圆弧形的电极主体,每对成对对置电极各自的电极主体呈同心布置且在直径方向上相对置,所述至少一对成对对置电极配置成在分别被施加偏置电压的情况下协同工作产生各自电场；和磁偏转器,包括至少一对成对对置磁极,每个磁极包括构造为圆弧形的磁极主体,每对成对对置磁极各自的磁极主体呈同心布置且在直径方向上相对置、且也与所述静电偏转器的所述至少一对成对对置电极各自的电极主体同心布置且在周向间隔开,所述至少一对成对对置磁极配置成产生各自磁场；合成电场垂直于合成磁场；每个电极还具备从其电极主体径向内侧向内突伸的第一凸出部,且每个磁极也还具备从其磁极主体径向内侧向内突伸的第二凸出部。(Provided are a Wien filter and a charged particle beam imaging apparatus, the Wien filter including: an electrostatic deflector comprising at least one pair of opposed electrodes, each electrode comprising an electrode body configured in the shape of a circular arc, the respective electrode bodies of each pair of opposed electrodes being concentrically arranged and diametrically opposed, the at least one pair of opposed electrodes being configured to cooperate to generate respective electric fields upon respective application of bias voltages; and a magnetic deflector comprising at least one pair of opposed magnetic poles, each magnetic pole comprising a magnetic pole body configured in the shape of a circular arc, the magnetic pole bodies of each pair of opposed magnetic poles being concentrically arranged and diametrically opposed and also concentrically arranged and circumferentially spaced from the electrode bodies of each of the at least one pair of opposed electrodes of the electrostatic deflector, the at least one pair of opposed magnetic poles being configured to generate respective magnetic fields; the synthetic electric field is vertical to the synthetic magnetic field; each electrode is also provided with a first projection projecting radially inwardly from its electrode body, and each pole is also provided with a second projection projecting radially inwardly from its pole body.)
技术领域
本公开涉及半导体检测技术领域，更具体地涉及呈被配置用以同时产生诸如彼此正交布置的电场和磁场的复合式偏转器形式的维恩电磁过滤器，以供实现对具备特定的质量、移动方向、电荷等的带电粒子束的偏转的器件，尤其涉及一种用于二次带电粒子的维恩过滤器和一种带电粒子束成像设备。
背景技术
近年来，带电粒子束检测和成像设备在半导体产业中广泛应用，例如扫描电镜，通常被用于芯片等生产对象的缺陷检测。所述带电粒子束检测和成像设备的主要原理是利用带电粒子束(诸如高能电子束等)轰击被测物体(例如待测芯片)的表面，探测被轰击区域产生的二次带电粒子束诸如二次电子、背散射电子等来获取被测样品本身的各种物理、化学信息，如形貌、成分、特征分布等。所述带电粒子束检测和成像设备的典型应用通常例如，基于真空中电子束对半导体硅片与掩模版上的微观图形进行检测与关键尺寸的测量、对于CMOS集成电路的中的开路缺陷(诸如CMOS与接触孔断开)和短路缺陷的检测。
在带电粒子束检测和成像设备中，运用复合的(通常为正交的)电场和磁场对于二次带电粒子进行偏转的维恩过滤器是其中的一种关键器件，主要作用在于对二次带电粒子束进行偏转扫描。具体地，维恩过滤器例如通常包括交叉(更典型地例如正交)布置的电偏转器和磁偏转器，由此产生正交的电场和磁场，其根据入射到偏转器所产生的偏转场内的二次带电粒子束中二次带电粒子的质量、运动方向、电荷等将带电粒子进行偏转。
在相关技术领域中，亟需一种改进的维恩过滤器，便于实现在结构设计的简化与所得偏转场的分布均匀性之间的折衷。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本发明提供了一种用于二次带电粒子的维恩过滤器和一种带电粒子束成像设备。
为实现上述目的，所述技术方案如下：
根据本公开的第一方面，提供了一种维恩过滤器，包括维恩过滤器主体，所述维恩过滤器主体包括：静电偏转器，包括至少一对成对对置电极，每个电极包括构造为成圆弧形的电极主体，每对成对对置电极的两个电极各自的电极主体呈同心布置且在直径方向上相对置，所述至少一对成对对置电极配置成在分别被施加偏置电压的情况下协同工作产生各自电场；和磁偏转器，包括至少一对成对对置磁极，每个磁极包括构造为成圆弧形的磁极主体，每对成对对置磁极的两个磁极各自的磁极主体呈同心布置且在直径方向上相对置、且也与所述静电偏转器的所述至少一对成对对置电极各自的电极主体同心布置且在周向间隔开，所述至少一对成对对置磁极配置成产生各自磁场，合成磁场与合成电场共同形成所述维恩过滤器的偏转场；所述维恩过滤器中产生的合成电场垂直于由所述维恩过滤器中的产生的合成磁场；且每个电极还具备从其电极主体径向内侧向内突伸的第一凸出部，且每个磁极也还具备从其磁极主体径向内侧向内突伸的第二凸出部。
根据本公开的实施例，所述至少一对成对对置磁极由导磁材料形成且还分别包括贴附于其磁极主体的径向外侧上的各自的励磁线圈，且配置成在激励电流通过所述励磁线圈中的情况下协同工作以产生所述各自磁场；或所述至少一对成对对置磁极由永磁材料形成，且配置成协同工作以产生所述各自磁场。
根据本公开的实施例，所述至少一对成对对置磁极由导电材料制成为额外的电极，且配置成在分别被施加偏置电压的情况下协同工作产生额外的电场；和/或所述至少一对成对对置电极由导磁材料制成为额外的磁极且还分别包括贴附于其电极主体的径向外侧上的各自的励磁线圈，且配置成在激励电流通过所述励磁线圈中的情况下协同工作以产生额外的磁场。
根据本公开的实施例，所述至少一对成对对置电极中的每个电极的电极主体分别在周向上延伸跨越相同弧度且彼此形状相同；和/或所述至少一对成对对置磁极中的每个磁极的磁极主体分别在周向上延伸跨越相同弧度且彼此形状相同。
根据本公开的实施例，所述至少一对成对对置电极中每个电极的电极主体和所述至少一对磁极中每个磁极的磁极主体的形状相同，且各自径向内侧处的内径相同，各自径向外侧处的外径也相同；和所述至少一对成对对置电极的各自电极主体和所述至少一对成对对置磁极的各自磁极主体在周向上成角度地彼此间隔开且呈轴对称布置。
根据本公开的实施例，所述至少一对成对对置电极和所述至少一对成对对置磁极在周向上以相同的角度彼此间隔布置。
根据本公开的实施例，至少一对成对对置电极为仅一对对置电极，且所述至少一对成对对置磁极为仅一对对置磁极，所述一对对置电极和所述一对对置磁极以90°角交替地间隔设置。
根据本公开的实施例，所述第一凸出部和所述第二凸出部的形状和尺寸设置成使得最小化入射到所述维恩过滤器内的带电粒子束的轴外象差。
根据本公开的实施例，所述第一凸出部在周向上延伸的角度不超过第一角度范围、且从电极主体径向内侧向内突伸不超过第一径向距离，所述第二凸出部在周向上延伸的角度不超过第二角度范围、且从磁极主体径向内侧向内突伸不超过第二径向距离。
根据本公开的实施例，所述第一角度范围为5°至40°，所述第一径向距离为介于每个电极主体的径向内侧处的内径的0.1倍至0.9倍之间的范围；且所述第二角度范围为5°至40°，所述第二径向距离为介于每个磁极主体的径向内侧处的内径的0.1倍至0.9倍之间的范围。
根据本公开的实施例，所述第一凸出部呈从相应电极主体的径向内侧向内突伸的顶部内凹的弧形凸台；和/或所述第二凸出部呈从相应磁极主体的径向内侧向内突伸的顶部内凹的弧形凸台。
根据本公开的实施例，所述第一凸出部呈从相应电极主体的径向内侧向内突伸的顶部拱起的部分球体、锥体形状之一；和/或所述第二凸出部呈从相应磁极主体的径向内侧向内突伸的顶部拱起的部分球体、锥体形状之一。
根据本公开的实施例，所述第一凸出部呈从相应电极主体的径向内侧向内突伸的顶部平坦的圆台、球台、锥台、多级阶梯状台体之一；和/或所述第二凸出部呈从相应磁极主体的径向内侧向内突伸的顶部平坦的圆台、球台、锥台、多级阶梯状台体之一。
根据本公开的实施例，所述第一凸出部与所述第二凸出部被构造呈相同形状。
根据本公开的实施例，所述第一角度范围和所述第二角度范围分别是在产生与所述维恩过滤器所产生的偏转场相同的等效偏转场、且具有分别呈从相应电极主体的径向内侧向内突伸的顶部内凹的弧形凸台形式的等效第一凸出部、以及呈从相应磁极主体的径向内侧向内突伸的顶部内凹的弧形凸台形式的等效第二凸出部的等效维恩过滤器中的所述弧形凸台所分别占据的弧度角。
根据本公开的实施例，所述维恩过滤器还包括同轴地布置于所述维恩过滤器主体两侧的呈环状的调节器，且响应于所述至少一对成对对置电极由导磁材料制成为额外的磁极且还分别包括贴附于其电极主体的径向外侧上的各自的励磁线圈，所述调节件为分别同轴地布置于维恩过滤器主体两侧且分别与维恩过滤器主体间隔开的磁环，所述磁环被定位和确定尺寸以收敛所述维恩过滤器的沿着光轴的原有合成磁场边缘处的磁力线以在光轴上匹配合成电场；和响应于所述至少一对成对对置磁极由导电材料制成为额外的电极，所述调节件为分别同轴地布置于维恩过滤器主体两侧且分别与维恩过滤器主体间隔开的电极环，所述电极环被定位和确定尺寸以修正维恩过滤器的沿着光轴的原有合成电场的电场强度接近于0的边缘处的电场分布以在光轴上匹配合成磁场。
根据本公开的实施例，磁极的凸台的外径为R2，磁环的内径范围在0.1R2至1.5R2之间，与偏转器的间隔在0.1R2到3R2之间。
根据本公开的实施例，电极的凸台的外径为R2，电极环的内径范围在0.1R2至1.5R2之间，与偏转器的间隔在0.1R2到3R2之间。
根据本公开的实施例，所述静电偏转器包括仅一对成对对置电极；且所述磁偏转器包括仅一对成对对置磁极。
另外，根据本公开的另一方面，提供了一种带电粒子束成像设备，所述带电粒子束成像设备被构造成向待测样品表面投射入射带电粒子束以生成带电粒子图像的电子光学设备，包括：
带电粒子源，配置成用以发射所述入射带电粒子束；
至少一对偏转器，相对于所述入射带电粒子束的光轴对称布置，且配置成响应于施加在其上的光栅扫描信号来偏转和投射所述入射带电粒子束至半导体器件的待测表面；
物镜，所述物镜被布置成与所述光轴同轴地布置于所述至少一对偏转器下游，且配置用于将所述入射带电粒子束会聚并且最终投射至待测样品表面；
二次带电粒子检测器，沿所述光轴布置于光轴外侧且介于所述带电粒子源与所述样品之间，且配置成采集由所述入射带电粒子束投射至所述待测样品而产生的二次带电粒子并且成像；和
根据前述的维恩过滤器，位于所述物镜中且介于所述样品与所述二次带电粒子检测器之间，且配置成接收从所述样品出射的二次带电粒子并且将所述二次带电粒子朝向所述二次带电粒子检测器偏转。
附图说明
现在参照随附的示意性附图，仅以举例的方式，描述本公开的实施例，其中，在附图中相应的附图标记表示相应的部件。附图的简要描述如下：
图1示出根据本公开实施例的用于带电粒子束的多极型偏转器的结构示意图，示意性示出各极的示意性结构带有从其径向内侧向内突伸的凸出部，以及各极的示意性布置，其中凸出部呈从相应极部的径向内侧向内突伸的顶部内凹的弧形凸台形状；
图2(a)示出基于图1中所示各极的示意性结构和布置的多极型静电偏转器的结构示意图；
图2(b)示出如图2(a)所示多极型静电偏转器在使用时的电场线分布示意图；
图2(c)示出如图2(a)所示多极型静电偏转器在不同的凸台参数条件下(R3/R2＝0.7)，旁轴区域径向偏转场的电场强度分布情况，其中横轴为旁轴区域大小r，纵轴为径向场大小Er；
图3(a)示出基于图1中所示各极的示意性结构和布置的多极型磁偏转器的结构示意图；
图3(b)示出如图3(a)所示多极型磁偏转器在使用时的磁场分布示意图；
图3(c)示出如图3(a)所示多极型磁偏转器在不同的凸台参数条件下(R3/R2＝0.7)，旁轴区域径向偏转磁场的磁场强度分布情况，其中曲线横轴为旁轴区域大小r，纵轴为径向磁场Br；
图4(a)示出根据本公开另外实施例的用于带电粒子束的多极型偏转器的结构示意图，示意性示出各极的示意性结构中的凸出部呈从相应极部的主体的径向内侧向内突伸的顶部平坦的多级阶梯状台体形状；
图4(b)示出根据本公开另外实施例的用于带电粒子束的多极型偏转器的结构示意图，示意性示出各极的示意性结构中的凸出部呈从相应极部的主体的径向内侧向内突伸的顶部拱起的部分锥体形状；
图4(c)示出根据本公开另外实施例的用于带电粒子束的多极型偏转器的结构示意图，示意性示出各极的示意性结构中的凸出部呈从相应极部的主体的径向内侧向内突伸的顶部拱起的部分球体形状；
图5示出根据本公开实施例的维恩过滤器的结构示意图；
图6示出根据本公开另外实施例的维恩过滤器的立体结构图，图示出所述维恩过滤器具备额外的示意性呈环状的调节件；
图7(a)示出在维恩过滤器主体两侧不添加充当调节件的磁环的情况下，轴上电场和磁场的示例性分布曲线；
图7(b)示出在维恩过滤器主体两侧添加充当调节件的磁环的情况下，轴上电场和磁场的示例性分布曲线；
图8(a)示出在维恩过滤器主体两侧不添加充当调节件的磁环的情况下的磁力线的示例性分布图；
图8(b)示出在维恩过滤器主体两侧添加充当调节件的磁环的情况下的磁力线的示例性分布图；
图9(a)、图9(b)和图9(c)分别示出在维恩过滤器主体两侧添加充当调节件的磁环后对于轴上场分布情况的影响；
图10(a)、图10(b)和图10(c)分别示出在维恩过滤器主体两侧添加充当调节件的电极环后对于轴上场分布情况的影响；图11示出根据本公开实施例的带电粒子束成像设备的结构示意图，其中使用了上述的用于二次电子的维恩过滤器；和
图12(a)示出充当入射带电粒子束的主电子束经过维恩过滤器的状态；且图12(b)示出充当二次带电粒子束的二次电子束反向经过维恩过滤器的状态。
具体实施方式
下面将对本公开的技术方案通过实施例结合附图的方式进行进一步的详细解释。在说明书中，相同或相似的附图标记和字母指示相同或相似的部件。参照附图对本公开实施例的以下说明旨在对本公开的总体发明构思进行解释，不应当理解为对本公开的一种限制。
附图被用于说明本公开的内容。附图中各部件尺寸和形状不反映用于用于二次带电粒子的维恩过滤器和带电粒子束成像设备的部件的真实比例。
在相关技术中，例如在带电粒子束成像设备中，例如具备用于偏转二次带电粒子束的维恩过滤器，所述维恩过滤器是构造成包括(诸如彼此正交布置的)静电偏转器和磁偏转器的复合式偏转器。作为所述维恩过滤器的基础，首先，下面分布讨论静电偏转器和磁偏转器各自在实现结构设计的简化(例如尽量少的极部数目和极部所需的馈电端口)与所得偏转场的分布均匀性(特别是在光轴z的旁轴区的均匀性)之间的折衷方面的改进。
带电的粒子束或二次粒子束的偏转例如由偏转器所产生的二极偏转场来实现，例如二极的磁场或电场(即，具备相反的N、S级的磁场，或具备相反的正负电极性的电场)；相应地，偏转器例如为磁偏转器和电偏转器，分别由极性反向的电极和磁极/线圈充当相对设置的两种极部而实现。
实现二极偏转场的偏转器具备如下主要特点：就电极/磁极的结构和馈电而言，存在一个包含与偏转场正交的光轴z的对称面和反对称面；所产生的电场或磁场与光轴z垂直。为了实现二维的扫描偏转，例如，通过将至少两个二极场偏转器布置成2N极结构，其中N为二极场偏转器的个数，相应地该2N极结构的多极型偏转器包括2N个极。作为更具体示例，将两个二极场偏转器布置成四极结构。该2N极结构的多极型偏转器例如产生N个共面布置的子偏转场，则由这些子偏转场的矢量合成而产生的合成偏转场例如为二极场。
对于其中的具备至少两个(例如多对)二极场偏转器的多极型偏转器而言，首先，每个二极场偏转器中的相对设置的两极通常为呈对置的平行板状的两个极部，由此导致在极部的特别是端部处的子偏转场边缘分布状况例如由于该处极部轮廓急剧变化导致场线的扭曲而显著区别于子偏转场的中心分布状况(例如较为均匀分别且近乎平行的子偏转场场线)，不利于实现子偏转场的整体分布均匀性和从子偏转场内部向子偏转场的边界区域的场分布的平滑过渡。进而，在具备至少两个二极场偏转器的多极型偏转器中，较少的二极场偏转器虽然由于极部数目和极部所需的馈电端口数目均相对较少而使得该多极型偏转器的结构相对简单，但产生的合成偏转场在靠近光轴z的旁轴区域的均匀性较差，会导致较高的偏转像差，影响轴外光斑质量；替代地，较多的二极场偏转器则会由于所需极部和相应馈电端口数目相对较多，不仅导致结构方面的加工和装配精度方面的困难，而且导致需要额外设置的供电电源。
因而，为了确保以尽量简化的偏转器结构，例如尽量少的极部数目和馈电端口数目，来实现在由多极型偏转器的各个极部所限定的位于其内部以供待偏转的带电粒子束通过的偏转器分布区域中、特别是靠近贯穿其中的光轴z的旁轴区域中的合成偏转场场线分布的均匀性，以及各子偏转场场线从中心向边缘过渡的平滑性，本公开实施例进一步提出了改进的多极型偏转器。
图1示出根据本公开实施例的用于带电粒子束的多极型偏转器的结构示意图，示意性示出各极的示意性结构带有从其径向内侧向内突伸的凸出部，以及各极的示意性布置，其中凸出部呈从相应极部的径向内侧向内突伸的顶部内凹的弧形凸台形状。
首先，如图1所示，提出了一种用于带电粒子束的多极型偏转器1，包括：至少两对极部100，每对极部100中每个包括构造为呈圆弧形的主体101，且每对极部100的主体101同心布置并且在直径方向上相对，且每个极部还具备从所述主体101径向内侧向内突伸的凸出部102，所述至少两对极部100包围限定轴向敞开的通孔103，所述通孔103配置成用于通过待由所述偏转器1偏转的所述带电粒子束，其中，所述偏转器1的所述至少两对极部100配置成协同工作以产生偏转带电粒子束的合成偏转场，所述合成偏转场分布于所述通孔103内。
关于上述多极型偏转器1，首先阐述本公开实施例所基于的工作原理。
如上所述，一方面，每个呈圆弧形的至少两对极部100的主体101布置成关于光轴z同心布置，且每对在直径方向上相对；换言之，即每个极部100的主体101同心地沿周向布置，且每对极部中的两个极部的主体101彼此在直径方向上面对设置。通过各极部的的主体101沿周向成对的对置布置，实质上，便利了使得每对极部所形成的子偏转场在极部的端部处的边缘场线基本上沿着或接近于周向延伸，从而这些子偏转场的边缘场线的分布实质上最小化地影响从被限定于由所述多极型偏转器1的各个极部100包围限定的轴向敞开的通孔103中沿轴向通过的带电的粒子束或二次粒子束。如此，通过如上所述各极部100的主体101的沿周向成对的对置布置来最小化了所述多极型偏转器1中单个二极场偏转器的子偏转场的场线在边缘处相较于中心处的扭曲对于通过该多极型偏转器的轴向通孔103的带电的粒子束或二次粒子束的影响。
另一方面，如上所述，每个极部100还具备从其主体101的径向内侧向内突伸的凸出部102。通过在每个极部的主体101上设置沿径向向内突伸的所述凸出部102，实质上在一定程度上使得每对极部中两个极部100各自的彼此相距较远的中间部分的间距相比于各自的彼此相距较近的相对的端部部分之间的间距而言，差值有所减小；即每个二极场偏转器中的一对极部之间的间距从中间部分向端部部分变化的梯度减低。从而在如上所述改善极部100边缘处场线扭曲对于带电的粒子束或二次粒子束的影响的情况下，也同时缓解了每对极部100之间的间距在中间部分处显著区别于端部部分处的趋势，从而在一定程度上补偿了由于周向布置极部100导致的每对极部100之间间距的显著变化，有助于改善所述多极型偏转器所产生的合成偏转场在靠近光轴z的旁轴区域的均匀性。
因而可知，通过在所述多极型偏转器中各极部100的主体101沿周向成对的对置布置，以及每个极部100的主体101上设置的沿径向向内突伸的凸出部102，这两方面设置的协同作用，特别是利用每个极部100的主体101上设置的径向向内突伸的凸出部102来补偿由各极部100的主体101沿周向成对的对置布置所导致的每个二极场偏转器中的一对极部100之间的间距从中间部分向端部部分变化的梯度，来改善所述多极型偏转器所产生的合成偏转场在由各个极部100包围限定的通孔103内(特别是在光轴z的旁轴区域内)的均匀性，并且各极部100特别是其主体101的形状和布置都相对简单，便于确保制造的简易度和装配的精度。
进一步作为示例，如图1所示，所述至少两对极部中的每个极部100的所述主体101分别在周向上延伸跨越相同弧度且彼此形状相同，且各自径向内侧处的内径相同，各自径向外侧处的外径也相同；并且所述至少两对极部100的所述主体101在周向上成角度地彼此间隔开且呈轴对称布置。
通过这种设置，使得所述多极型偏转器1中每个二极场偏转器所产生的子偏转场具备相同的量值，从而便利了合成偏转场的计算和控制。
进一步作为示例，如图1所示，所述至少两对极部100的所述主体101在周向上以相同的角度彼此间隔布置。
通过这种设置，实质上使得所述多极型偏转器1的每个极部100特别是各自的主体101在周向上等角度间隔开，即以等分圆周的方式布置，从而使得每个二极场偏转器所产生的子偏转场分别遍及各个极部100包围限定的通孔103内部(特别是在光轴z的旁轴区域内)大致均匀分布，进一步便利了实现较好的合成偏转场均匀性。
进一步作为示例，如图1所示，所述至少两对极部为以90°角交替地间隔设置的两对极部。换言之，所述多极型偏转器1即包括四个正交布置的极部100，即包括两个彼此正交布置的二极场偏转器。换言之，所述多极型偏转器形成为四极型偏转器。
通过这种设置，使得在降低带电粒子束经过所述多极型偏转器1的通孔103时所引入的轴外像差的同时，以尽量小的极部100数目和极部100所需的馈电端口数目来实现了所述多极型偏转器，从而简化了结构设计，便于确保加工制造的简易度和装配的精度。
例如，所述凸出部102的形状和尺寸设置成使得最小化入射到所述多极型偏转器1内的所述带电粒子束的轴外象差。
具体地，例如，所述凸出部102在周向上延伸的角度不超过预定角度范围、且从其径向内侧向内突伸不超过预定径向距离。
所述凸出部102的形状和尺寸，特别是凸出部102在周向上对应地跨越的弧度角A，是所述多极型偏转器1所产生的合成偏转场在旁轴区域内的均匀性至关重要的。
具体而言，在给定了所述主体101的径向内侧的半径R2，并且所述凸出部102的从所述主体101的径向内侧沿着径向继续向内突伸的最大长度L3相对于所述主体101的径向内侧的半径R2的比例也一定的情况下，若该弧度角越小，则凸出部102的周向范围越小，即凸出部102在周向上越窄，则每个极部100的形状和尺寸越接近于不具备凸出部102的极部的形状和尺寸，相应地如上所述的凸出部对由于周向布置极部100导致的每对极部100之间间距的显著变化的补偿作用越不明显；若该弧度角越大，则凸出部102在每个相应极部100的主体101上占据的周向范围越大，即凸出部102在周向上越宽，则相应地每个极部越近似于与平行板状极部等效，从而使得通过在所述多极型偏转器1中各极部100的主体101沿周向成对的对置布置来降低所述多极型偏转器1中单个二极场偏转器的子偏转场的场线在边缘处相较于中心处的扭曲对于通过该多极型偏转器的轴向通孔103的带电的粒子束或二次粒子束的影响方面的作用越不明显。
在偏转器中，通常着重关注的是光轴旁轴区域内的偏转场分布。数值模拟表明，对于给定的所述主体101的径向内侧的半径R2，通过对从所述主体101的径向内侧沿着径向继续向内突伸的最大长度L3、凸出部102的弧度A的组合优化，则相应地在旁轴区域更大的范围内得到更接近于二极场的横向场分布。
作为示例，所述弧度角A的预定角度范围为5°至40°，所述预定径向距离为介于每个极部的径向内侧处的内径的0.1倍至0.9倍之间的范围。从而在此尺寸设置下，使得能够得到如图1所示四极场型偏转器的遍及通孔103内的光轴z旁轴区域中的最大化的等效于二极场的合成偏转场分布。
并且，例如，如图1所示，所述凸出部102呈从相应极部100的主体101的径向内侧向内突伸的顶部内凹的弧形凸台。则所述凸出部102的从所述主体101的径向内侧沿着径向继续向内突伸的最大长度L3为该弧形凸台的内凹顶部处的半径R3。由此，对于给定的所述主体101的径向内侧的半径R2，通过对该弧形凸台的内凹顶部处的半径R3、弧形凸台的弧度A的组合优化，则相应地在旁轴区域更大的范围内得到更接近于二极场的横向场分布。
例如，如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，示出了凸出部102的其它可选形式。例如，图4(a)示出根据本公开另外实施例的用于带电粒子束的多极型偏转器的结构示意图，示意性示出各极的示意性结构中的凸出部呈从相应极部的主体的径向内侧向内突伸的顶部平坦的多级阶梯状台体形状；图4(b)示出根据本公开另外实施例的用于带电粒子束的多极型偏转器的结构示意图，示意性示出各极的示意性结构中的凸出部呈从相应极部的主体的径向内侧向内突伸的顶部拱起的部分锥体形状；图4(c)示出根据本公开另外实施例的用于带电粒子束的多极型偏转器的结构示意图，示意性示出各极的示意性结构中的凸出部呈从相应极部的主体的径向内侧向内突伸的顶部拱起的部分球体形状。
具体地，例如，所述凸出部还可以呈从相应极部的主体的径向内侧向内突伸的顶部拱起的部分球体、锥体形状之一；或者，所述凸出部呈从相应极部的主体的径向内侧向内突伸的顶部平坦的圆台、球台、锥台、多级阶梯状台体之一。
相应地，图4(a)、图4(b)和图4(c)中分别所示的所述凸出部的弧度角A’、A”、A”’的预定角度范围是在产生与每个二极场偏转器所产生的子偏转场相同的等效子偏转场、且具有呈从相应极部的主体的径向内侧向内突伸的顶部内凹的弧形凸台形式的等效凸出部的所述弧形凸台所占据的弧度角，即根据子偏转场计算出的等效弧形凸台的等效弧度角。
并且，例如，一种多极型静电偏转器充当用于带电粒子束的所述多极型偏转器。图2(a)示出基于图1中所示各极的示意性结构和布置的多极型静电偏转器的结构示意图；图2(b)示出如图2(a)所示多极型静电偏转器在使用时的电场线分布示意图。
如图2(a)所示，所述多极型静电偏转器1’包括：至少两对电极100’，由导电材料制成，每对电极100’中每个包括构造为呈圆弧形的主体101’，且每对电极100’的主体101’同心布置并且在直径方向上相对，且每个电极还具备从所述主体101’径向内侧向内突伸的凸出部102’，所述至少两对电极100’包围限定轴向敞开的通孔103’，所述通孔103’配置成用于通过待由所述电偏转器1’偏转的所述带电粒子束，其中，所述电偏转器1’的所述至少两对电极100’配置成协同工作以产生偏转带电粒子束的合成偏转电场，所述合成偏转电场分布于所述通孔103’内。所述多极型静电偏转器1’中，每对电极(即每个二极场电偏转器)在其中的两个对置电极分别被施加外置偏置电压时产生子电场，子电场矢量合成为所述多极型静电偏转器1’的合成偏转电场。
如上所述，一方面，每个呈圆弧形的至少两对电极100’的主体101’布置成关于光轴z同心布置，且每对在直径方向上相对。如此，通过如上所述各电极100’的主体101’的沿周向成对的对置布置来最小化了所述多极型静电偏转器1’中单个二极场电偏转器的子电场的场线在边缘处相较于中心处的扭曲对于通过该多极型静电偏转器的轴向通孔103’的带电的粒子束或二次粒子束的影响。
另一方面，如上所述，每个电极100’还具备从其主体101’的径向内侧向内突伸的凸出部102’。通过在每个电极的主体101’上设置沿径向向内突伸的所述凸出部102’，实质上在一定程度上使得每对电极中两个电极100’各自的彼此相距较远的中间部分的间距相比于各自的彼此相距较近的相对的端部部分之间的间距而言，差值有所减小；即每个二极场电偏转器中的一对电极之间的间距从中间部分向端部部分变化的梯度减低。从而在一定程度上补偿了由于周向布置电极100’导致的每对电极100’之间间距的显著变化，有助于改善所述多极型静电偏转器所产生的合成偏转电场在靠近光轴z的旁轴区域的均匀性。
因而可知，通过在所述多极型静电偏转器中各电极100’的主体101’沿周向成对的对置布置，以及每个电极100’的主体101’上设置的沿径向向内突伸的凸出部102’，这两方面设置的协同作用，特别是利用每个电极100’的主体101’上设置的径向向内突伸的凸出部102’来补偿由各电极100’的主体101’沿周向成对的对置布置所导致的每个二极场电偏转器中的一对电极100’之间的间距从中间部分向端部部分变化的梯度，来改善所述多极型静电偏转器所产生的合成偏转电场在由各个电极100’包围限定的通孔103’内(特别是在光轴z的旁轴区域内)的均匀性，并且各电极100’特别是其主体101’的形状和布置都相对简单，便于确保制造的简易度和装配的精度。
进一步作为示例，例如如图2(a)所示，所述多极型静电偏转器也可采用如前所述针对图1所示的用于带电粒子束的多极型偏转器的各种优选配置，在此不再赘述。
具体地，例如，本公开的一个应用实例如图2(a)所示，图示出一种四电极静电偏转器。在几何结构上对于光轴(z轴)对称，四个包含z轴的面对称；在馈电分布上，具有一个面对称和一个面反对称的特点。四个圆弧电极100’的主体分别呈外径和内径分别为R1和R2(＜R1)的圆弧段形电极，且在周向上成等弧度分隔开，极间缝隙角为θ。在此基础上，在每个电极的主体的内径侧，还具备顶部内凹的弧形凸台状结构，弧形凸台内径为R3(＜R2)，弧度为A。在各电极100’上分别施以电压Vy，-Vx，-Vy，，即两对电极中每对的两电极上分别施加电压Vy，-Vy、以及Vx和-Vx。由此如图所示的横截面上的旁轴区域中得到沿径向为主的偏转电场，其方向与x轴所成的弧度α由arctg(Vy/Vx)决定，如图2(b)是实际应用时的合成偏转电场的电场线分布图。
从图2(b)可以看出在旁轴区域内的电场线分布基本呈均匀分布，在远离光轴部分的电场线分布与电极形状和电极电压有关。数值模拟表明，对于给定的R2，通过对凸台内径R3、凸台弧度A的组合优化，可以在旁轴区更大的范围内得到更接近于二极场的横向场分布。
图2(c)示出如2(a)所示多极型静电偏转器在不同的凸台参数条件下(R3/R2＝0.7)，旁轴区域径向偏转场的电场强度分布情况，其中横轴为旁轴区域大小r，纵轴为径向场大小Er。实验实测数据表明，在R3/R2＝0.7条件下，当凸台角度A＝30°时(参见图2(c)中的图线A30)，在旁轴区域300um范围内，偏转电场的均匀性要好于其他结构参数下的偏转电场。从图3(c)中还可以看出，相对于不具备凸台的电偏转器结构(即相关技术中的静电偏转器，对应于图2(c)中A0的图线)而言，本公开实施例的如图2(a)和图2(b)的静电偏转器的偏转电场的均匀性优于不具备径向内侧凸台的相关技术中的四极静电偏转器结构的偏转电场，特别是图线A20、A30示出了与图线A0相比，具有在纵坐标轴上与相对场强参考量值1(以光轴处的合成场强量值为1，充当参考值，纵坐标值为相对于该参考值1的各点处场强的相对比值)近似相等的值对应的横坐标轴上的相对更大范围。则在同样的偏转像差下，本公开实施例的静电偏转器拥有更大的视场。且本公开实施例可扩展至更一般的应用实例。例如，凸台外径R2在3～100mm范围，凸台内径R3在0.1R2～0.9R2，凸台弧度A＝5°～40°都落入于本公开主张的保护范围。
并且，例如，一种多极型磁偏转器充当用于带电粒子束的所述多极型偏转器。图3(a)示出基于图1中所示各极的示意性结构和布置的多极型磁偏转器的结构示意图；图3(b)示出如图3(a)所示多极型磁偏转器在使用时的磁场分布示意图。
如图3(a)所示，所述多极型磁偏转器1”包括：至少两对磁极100”，由导磁材料制成，每对磁极100”中每个包括构造为呈圆弧形的主体101”，且每对磁极100”的主体101”同心布置并且在直径方向上相对；以及分别贴附于各个磁极的径向侧(例如径向外侧或内侧)上的各自的励磁线圈104，且每对磁极各自的励磁线圈104上的激励电流的方向相同，如图3(a)中实线和虚线箭头所示；且每个磁极还具备从所述主体101”径向内侧向内突伸的凸出部102”，所述至少两对磁极100”包围限定轴向敞开的通孔103”，所述通孔103”配置成用于通过待由所述磁偏转器1”偏转的所述带电粒子束，其中，所述磁偏转器1”的所述至少两对磁极100”配置成协同工作以产生偏转带电粒子束的合成偏转磁场，所述合成偏转磁场分布于所述通孔103”内。所述多极型磁偏转器1”中，每对磁极(即每个二极场磁偏转器)在激励电流通过各自的励磁线圈中的情况下产生子磁场，子磁场矢量合成为所述多极型磁偏转器1”的合成偏转磁场。
如上所述，一方面，每个呈圆弧形的至少两对磁极100”的主体101”布置成关于光轴z同心布置，且每对在直径方向上相对。如此，通过如上所述各磁极100”的主体101”的沿周向成对的对置布置来最小化了所述多极型磁偏转器1”中单个二极场磁偏转器的子磁场的场线在边缘处相较于中心处的扭曲对于通过该多极型磁偏转器的轴向通孔103”的带电的粒子束或二次粒子束的影响。
另一方面，如上所述，每个磁极100”还具备从其主体101”的径向内侧向内突伸的凸出部102”。通过在每个磁极的主体101”上设置沿径向向内突伸的所述凸出部102”，实质上在一定程度上使得每对磁极中两个磁极100”各自的彼此相距较远的中间部分的间距相比于各自的彼此相距较近的相对的端部部分之间的间距而言，差值有所减小；即每个二极场磁偏转器中的一对磁极之间的间距从中间部分向端部部分变化的梯度减低。从而在一定程度上补偿了由于周向布置磁极100”导致的每对磁极100”之间间距的显著变化，有助于改善所述多极型磁偏转器所产生的合成偏转磁场在靠近光轴z的旁轴区域的均匀性。
因而可知，通过在所述多极型磁偏转器中各磁极100”的主体101”沿周向成对的对置布置，以及每个磁极100”的主体101”上设置的沿径向向内突伸的凸出部102”，这两方面设置的协同作用，特别是利用每个磁极100”的主体101”上设置的径向向内突伸的凸出部102”来补偿由各磁极100”的主体101”沿周向成对的对置布置所导致的每个二极场磁偏转器中的一对磁极100”之间的间距从中间部分向端部部分变化的梯度，来改善所述多极型磁偏转器所产生的合成偏转磁场在由各个磁极100”包围限定的通孔103”内(特别是在光轴z的旁轴区域内)的均匀性，并且各磁极100”特别是其主体101”的形状和布置都相对简单，便于确保制造的简易度和装配的精度。
进一步作为示例，如图3(a)所示，所述多极型磁偏转器也可采用如前所述针对图1所示的用于带电粒子束的多极型偏转器的各种优选配置，在此不再赘述。
具体地，例如，本公开的一个应用实例如图3(a)所示，图示出一种四磁极磁偏转器。磁极内径表面的凸台形状仍可以用参数例如磁极的主体的外径R1、主体的内径R2，凸台的内径R3，凸台的弧度角A描述。在励磁线圈内的一定电流激励下，在横截面旁轴区得到径向分布的偏转磁场。如图3(b)所示，是在只激励一组线圈(606和608)的情况下的径向磁场分布实例。如图3(b)是实际应用时的合成偏转磁场的磁场线分布图。
从图3(b)可以看出在旁轴区域内的磁场线分布基本呈均匀分布，在远离光轴部分的磁场线分布与磁极形状和磁极电压有关。数值模拟表明，对于给定的R2，通过对凸台内径R3、凸台弧度A的组合优化，可以在旁轴区更大的范围内得到更接近于二极场的横向场分布。
图3(c)示出如图3(a)所示多极型磁偏转器在不同的凸台参数条件下(R3/R2＝0.7)，旁轴区域径向偏转磁场的磁场强度分布情况，其中曲线横轴为旁轴区域大小r，纵轴为径向磁场Br。实验实测数据表明，在R3/R2＝0.7条件下，当凸台角度A＝30°时(参见图3(c)中的图线A30)，在旁轴区域300um范围内，偏转磁场的均匀性要好于其他结构参数下的偏转磁场。从图3(c)中还可以看出，相对于不具备凸台的磁偏转器结构(即关技术中的磁偏转器，对应于图3(c)中A0的图线)而言，本公开实施例的如图3(a)和图3(b)的磁偏转器的偏转磁场的均匀性优于不具备径向内侧凸台的相关技术中的四极磁偏转器结构的偏转磁场，特别是图线A20、A30示出了与图线A0相比，具有在纵坐标轴上与相对磁场强度参考量值1(以光轴处的合成磁场强度量值为1，充当参考值，纵坐标值为相对于该参考值1的各点处磁场强度的相对比值)近似相等的值对应的横坐标轴上的相对更大范围。则在同样的偏转像差下，本公开实施例的磁偏转器拥有更大的视场。且本公开实施例可扩展至更一般的应用实例。例如，凸台外径R2在3～100”mm范围，凸台内径R3在0.1R2～0.9R2，凸台弧度A＝5°～40°都落入于本公开主张的保护范围。
图5示出根据本公开实施例的维恩过滤器的结构示意图。
在本公开实施例的另一方面中，如图5所示，提供一种用于带电粒子诸如二次电子的维恩过滤器(Wien filter)3。所述维恩过滤器3例如是构造成包括(交叉布置的，更具体地诸如彼此正交布置的)静电偏转器和磁偏转器的复合式偏转器，由此产生(交叉的，更具体地例如正交的)电场和磁场，其根据入射到偏转器所产生的偏转场内的带电粒子束中带电粒子的质量、运动方向、电荷等将带电粒子进行偏转。换言之，维恩过滤器例如是由一组电偏转器和磁偏转器复合而成的，且配置成产生呈正交分布的轴上偏转电场和偏转磁场的多极场器件，能根据入射到其中的带电粒子的质量、移动方向、电荷等将带电粒子进行分离，从而达到带电粒子筛选的效果。因而，维恩过滤器常用作带电粒子的单色过滤，特定能量或是质量粒子的过滤检测。
在实际应用中，所述维恩过滤器3例如用于带电粒子束成像设备诸如扫描电镜中，且作用于主电子束和二次电子束。具体地，维恩过滤器例如配置成根据入射的充当二次带电粒子的二次电子的质量、移动方向、电荷等将二次电子进行分离，从而达到对于二次电子进行筛选的效果。使得探测器可以接收到更多的二次电子，从而提高二次电子像的成像品质，提高扫描速度。
维恩过滤器的具体作用原理是根据带电粒子在磁场、电场中的所受力的不同，使得不同粒子偏转方向不同。带电粒子的受力公式：
F＝q·(E-v×B) (1)
通过以上公式(1)可以知道，如果磁场和电场的分布能够满足一定的关系，那么带电粒子在某一方向所受力将是0，而在相反方向所受力不为0，这就是维恩过滤器经常使用的一种条件，称为直通条件(Straight-Through condition)，如下所示：
v＝E/B (2)
例如，大致满足如上公式(2)的入射到维恩过滤器中的带电粒子例如二次电子将会被允许通过维恩过滤器，进而入射到二次电子探测器中。
在本公开的实施例的一方面，根据本公开的总体技术构思，由于维恩过滤器例如是包括静电偏转器和磁偏转器的复合式偏转器，所以基于上面分别对于静电偏转器和磁偏转器的结构优化，改进维恩过滤器的结构设计。
如图5所示，例如，示例性的维恩过滤器3例如包括维恩过滤器主体，所述维恩过滤器主体包括：静电偏转器31和磁偏转器32，所述静电偏转器31的成对对置电极的数目和所述磁偏转器32的成对对置磁极的数目例如选择为相同的，或者替代地也可选择为不同的，只要确保所述静电偏转器31的合成电场是与所述磁偏转器32的合成磁场是彼此正交分布的即可。
在具体实施例中，例如，如图5所示，所述维恩过滤器3例如包括：静电偏转器31和磁偏转器32，所述静电偏转器31的成对对置电极的数目与所述磁偏转器32的成对对置磁极的数目相同，所述静电偏转器31的成对对置电极的合成电场的中心布置成与所述磁偏转器32的成对对置磁极的合成磁场的中心重合，且所述静电偏转器31的成对对置电极与所述磁偏转器32的成对对置磁极布置呈同心布置，且所述静电偏转器31的每对电极中的两个电极在直径方向相对，每个磁偏转器32的每对磁极中的两个磁极在直径方向相对。在图5中仅示意性示出了维恩过滤器3中，静电偏转器31包括仅一对对置电极301、303且磁偏转器32包括仅一对对置磁极302、304。在替代实施例中，维恩过滤器中，例如，静电偏转器31包括M对对置电极且磁偏转器32包括N对对置磁极，M、N均为大于等于1的正整数，且M例如选择为与N不同，或选择为与N相同但均大于1，只要确保所述静电偏转器31的合成电场是与所述磁偏转器32的合成磁场是彼此正交分布的即可，在此并不作出具体限定。
更具体地，例如，如图所示，在所述维恩过滤器3中，所述静电偏转器31包括至少一对成对对置电极，每个电极包括：构造为成圆弧形的电极主体，每对成对对置电极的两个电极(例如图示的301、303)各自的电极主体呈同心布置且在直径方向上相对置；以及从所述电极主体径向向内突伸的第一凸出部。并且所述维恩过滤器3中，所述磁偏转器32包括至少一对成对对置磁极，每个磁极包括：构造为成圆弧形的磁极主体，每对成对对置磁极的两个磁极(例如图示的302、304)各自的磁极主体呈同心布置且在直径方向上相对置、且也与所述静电偏转器31的所述至少一对成对对置电极各自的电极主体同心布置并且在周向间隔开；以及从所述磁极主体径向向内突伸的第二凸出部。由此，所述静电偏转器31的成对对置电极与所述磁偏转器32的成对对置磁极协同包围限定所述维恩过滤器中的轴向敞开的通孔，所述通孔配置成用于通过待由所述维恩过滤器偏转筛选的带电粒子。
在所述维恩过滤器工作期间，所述静电偏转器的所述至少一对成对对置电极配置成分别被施加偏置电压的情况下产生各自电场；且所述磁偏转器的所述至少一对成对对置磁极配置成分别产生各自磁场，且合成磁场正交于合成电场。彼此正交的合成磁场与合成电场共同形成所述维恩过滤器的偏转场，用于偏转已入射到所述维恩过滤器的通孔中的带电粒子来进行筛选。
基于上述多极型静电偏转器和磁偏转器的分别以优化设计的各极部带有径向向内凸起的例如对称布置的极部而实现尽量少的极部数量和减少馈电端口的结构，本公开实施例中进一步对维恩过滤器进行改进设计，旨在提高预期彼此正交的合成电场和合成磁场的分布的匹配度，以确保维恩过滤器对主带电粒子束的影响最小化且对二次带电粒子束具有有效的偏转筛选，由此例如分别将主带电粒子束和二次带电粒子束有效分离开避免相互干扰，从而进一步改善成像品质。
就磁偏转器32的结构而言，在本公开的一些实施例中，例如如图5所示，至少一对成对对置磁极由导磁材料形成且还分别包括贴附于其磁极主体的径向外侧上的各自的同轴设置(各自轴心通过光轴)且绕线同向的励磁线圈，且配置成在激励电流通过所述励磁线圈中的情况下协同工作以产生所述各自磁场，则例如通过调节激励电流可调整磁场。或者，在本公开的替代实施例中，例如，至少一对成对对置磁极由永磁材料形成，且配置成协同工作以产生所述各自磁场，则磁场不可调整。
在本公开的进一步的实施例中，作为示例，如图5所示，所述静电偏转器31的所述至少一对成对对置电极301、303中的每个电极的电极主体分别在周向上延伸跨越相同弧度且彼此形状相同。
在本公开的进一步的实施例中，作为示例，如图5所示，所述磁偏转器32的所述至少一对成对对置磁极302、304中的每个磁极的磁极主体分别在周向上延伸跨越相同弧度且彼此形状相同。
通过这种设置，不仅便利了成型，而且使得所述维恩过滤器3中静电偏转器31的每对对置电极所产生的子电场具备相同量值，和/或使得所述维恩过滤器3中磁偏转器32的每对对置磁极所产生的子磁场具备相同量值，从而便利了合成偏转场的计算和控制。
在本公开的又进一步的实施例中，作为示例，如图5所示，所述至少一对成对对置电极中每个电极的电极主体和所述至少一对成对对置磁极中每个磁极的磁极主体的形状相同，且各自径向内侧处的内径相同，各自径向外侧处的外径也相同；并且所述至少一对成对对置电极的各自电极主体和所述至少一对成对对置磁极的各自磁极主体在周向上成角度地彼此间隔开且呈轴对称布置。
通过这种设置，实质上使得所述维恩过滤器3中，静电偏转器31的每个电极(特别是各自的电极主体)和磁偏转器32的每个磁极(特别是各自的磁极主体)不仅彼此形状相同，便利了成型，且在周向上等角度间隔开，即以等分圆周的方式布置，从而使得所产生的子偏转场(子电场和子磁场)分别遍及所述维恩过滤器3中的由静电偏转器31的所有电极和磁偏转器32的所有磁极共同包围限定的通孔内部(特别是在光轴z的旁轴区域内)大致均匀分布，从而得到分布更均匀且局部波动更小的合成电场以及合成磁场，进一步便利了实现较好的合成偏转场均匀性。这样的场分布便利于降低带电的粒子经过偏转器引起的轴外像差，从而增大了图像的视场，提高设备的检测效率。
并且，在本公开的更进一步的实施例中，作为示例，如图5所示，所述静电偏转器31的至少一对成对对置电极为仅一对电极，且所述磁偏转器32的所述至少一对成对对置磁极为仅一对磁极，所述一对电极和所述一对磁极以90°角交替地间隔设置。即静电偏转器31的仅一对电极与磁偏转器32的仅一对磁极彼此正交。则如图所示，静电偏转器31所产生的电场308即合成电场，磁偏转器32所产生的磁场307即合成磁场。
通过这种设置，不仅使得在降低带电粒子经过所述维恩过滤器3的通孔时所引入的轴外像差的同时，以尽量小的电极和磁极数目和所需的馈电端口数目来实现了简化的维恩过滤器，从而简化了结构设计，便于确保加工制造的简易度和装配的精度。并且，便利了在制造过程中以简化结构确保合成电场与合成磁场二者正交。
根据本公开的实施例，例如，所述静电偏转器31的各个电极的所述第一凸出部和所述磁偏转器32的各个磁极的所述第二凸出部的形状和尺寸设置成使得最小化入射到所述维恩过滤器内的带电粒子的轴外象差。
具体地，例如，所述第一凸出部在周向上延伸的角度不超过第一角度范围、且从其径向内侧向内突伸不超过第一径向距离，所述第二凸出部在周向上延伸的角度不超过第二角度范围、且从其径向内侧向内突伸不超过第二径向距离。
所述第一凸出部和所述第二凸出部各自的形状和尺寸，特别是所述第一凸出部和所述第二凸出部分别在周向上对应地跨越的弧度角，对于所述维恩过滤器所产生的合成电场、合成磁场、以及总的合成偏转场在旁轴区域内的均匀性至关重要的。
具体而言，在给定了电极主体和磁极主体中的每个的径向内侧的半径，并且所述第一凸出部和所述第二凸出部分别从相应电极主体和磁极主体中的径向内侧沿着径向继续向内突伸的最大长度相对于电极主体和磁极主体中的每个径向内侧的半径的比例也一定的情况下，若该弧度角越小，则相应地，电极主体和磁极主体中的每个的周向范围越小，即所述第一凸出部和所述第二凸出部在周向上越窄，则电极和磁极各自的形状和尺寸越接近于不具备所述第一凸出部和所述第二凸出部的情况下电极和磁极的形状和尺寸，相应地如上所述第一凸出部和所述第二凸出部对由于周向布置的电极和磁极导致的彼此之间间距的显著变化的补偿作用越不明显；若该弧度角越大，则所述第一凸出部和所述第二凸出部在每个相应电极主体和磁极主体上占据的周向范围越大，即所述第一凸出部和所述第二凸出部在周向上越宽，则相应地每个电极和磁极分别越近似于与平行板状的电极和磁极等效，从而使得通过在所述维恩过滤器中各电极主体和磁极主体沿周向成对的对置布置来降低所述维恩过滤器中单个二极场偏转器的子偏转场(子电场、子磁场)的场线在边缘处相较于中心处的扭曲对于通过所述维恩过滤器中的轴向通孔的带电粒子束的影响方面的作用越不明显。
在偏转器中，通常着重关注的是光轴旁轴区域内的偏转场分布。如前面的数值模拟表明，对于给定的电极主体和磁极主体中的每个的径向内侧的半径，通过对从电极主体和磁极主体中的每个的径向内侧沿着径向继续向内突伸的最大长度、电极主体和磁极主体中的每个的弧度的组合优化，则相应地在旁轴区域更大的范围内分别得到接近于二极场的合成电场分布和接近于二极场的合成磁场分布、以及因而接近于二极场的合成偏转场分布，便利于提供维恩过滤器所需的必须相互正交的二极电场和二极磁场，以及相应得到近似于二极场的合成偏转场。
作为示例，所述第一角度范围为5°至40°，所述第一径向距离为介于每个电极的径向内侧处的内径的0.1倍至0.9倍之间的范围；且所述第二角度范围为5°至40°，所述第二径向距离为介于每个磁极的径向内侧处的内径的0.1倍至0.9倍之间的范围。从而在此尺寸设置下，使得能够得到如图5所示维恩过滤器的遍及通孔内的光轴z旁轴区域中的最大化的等效于二极场的合成偏转场分布。
并且，根据本公开的实施例，例如，如图5所示，所述第一凸出部和所述第二凸出部呈从相应电极主体和磁极主体的径向内侧向内突伸的顶部内凹的弧形凸台。则所述第一凸出部和所述第二凸出部的从相应电极主体和磁极主体的径向内侧沿着径向继续向内突伸的最大长度为该弧形凸台的内凹顶部处的半径。由此，对于给定的电极主体和磁极主体的径向内侧的半径，通过对该弧形凸台的内凹顶部处的半径、弧形凸台的弧度的组合优化，则相应地在旁轴区域更大的范围内分别得到更接近于二极场的电场和磁场分布。
根据本公开的替代实施例，例如，如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，示出了所述第一凸出部和所述第二凸出部的其它可选形式。例如，图4(a)示出根据本公开另外实施例的用于带电粒子的维恩过滤器的结构示意图，示意性示出电极和磁极的示意性结构中的所述第一凸出部和所述第二凸出部呈从相应电极主体和磁极主体的径向内侧向内突伸的顶部平坦的多级阶梯状台体形状；图4(b)示出根据本公开另外实施例的用于带电粒子的维恩过滤器的结构示意图，示意性示出电极和磁极的示意性结构中的所述第一凸出部和所述第二凸出部呈从相应电极主体和磁极主体的径向内侧向内突伸的顶部拱起的部分锥体形状；图4(c)示出根据本公开另外实施例的用于带电粒子的维恩过滤器的结构示意图，示意性示出电极和磁极的示意性结构中的所述第一凸出部和所述第二凸出部呈从相应电极主体和磁极主体的径向内侧向内突伸的顶部拱起的部分球体形状。
具体地，例如，所述第一凸出部和所述第二凸出部还可以呈从相应电极主体和磁极主体的径向内侧向内突伸的顶部拱起的部分球体、锥体形状之一；或者，所述第一凸出部和所述第二凸出部呈从相应电极主体和磁极主体的径向内侧向内突伸的顶部平坦的圆台、球台、锥台、多级阶梯状台体之一。
相应地，图4(a)、图4(b)和图4(c)中分别所示的所述第一凸出部和所述第二凸出部的弧度角A’、A”、A”’的预定角度范围是在产生与每个二极场偏转器所产生的子偏转场相同的等效子偏转场、且具有呈从相应电极主体和磁极主体径向内侧向内突伸的顶部内凹的弧形凸台形式的等效凸出部的所述弧形凸台所占据的弧度角，即根据子偏转场计算出的等效弧形凸台的等效弧度角。
如图5所示，带电粒子束例如电子束在经过维恩过滤器时，理论上讲维恩过滤器需要确保其磁场307和电场308严格垂直，才能保证磁场力和电场力反向，二力相等时经过的电子束不受影响。原则上一组磁偏转器和一组静电偏转器在机械布置方面呈正交配置就可以了。但实际上由于磁极材料的均匀性、机加工精度、装配精度等因素的限制，及设计误差，很难保证维恩过滤器产生的磁场307和电场308在轴上各处严格垂直，这样磁场力和电场力就保证不了反向，此时电子束会偏离预定的轨迹或者过光轴平面的程度就会无法控制。这时就需要能够对维恩过滤器的电场或磁场的方向进行调整。
作为示例，如图5所示，电场308是电极301和电极303加上偏置电压形成的，磁场307是磁极302和磁极304上线圈306加上激励电流形成的，两者由于前述各种原因，通常并不严格垂直。因而，例如通过对于合成电场和合成磁场之一进行调整，可确保相对于合成电场和合成磁场中的另一个是严格正交的。
在本公开的一些实施例中，例如，所述磁偏转器32的所述至少一对成对对置磁极由导电材料制成为额外的电极，且配置成在分别被施加偏置电压的情况下协同工作产生额外的电场。具体地，如图所示，电极301和电极303被施加偏置电压形成电场308，磁极302和磁极304上线圈306加上激励电流形成磁场307，两者例如由于前述各种原因而并非严格正交。此时，在所述磁偏转器32由导电材料制成的情况下，例如以磁场307为基准，在磁极302和磁极304上也分别加上一定的偏置电压(二者的偏置电压极性相反)，从而使得302和304也充当电极、并且它们产生的附加电场与原有电极301、303所提供的原有电场308互为垂直的偏转子电场，二者合成后得到任意方向的合成电场。通过调节由磁极复用充当电极所产生的额外的电场，能够使得额外电场与原有电场的合成电场满足与磁场307严格正交的条件，使得维恩过滤器的电磁场条件得到更好的满足，将带电粒子的轨迹偏差控制到最小。通过仿真分析得到，经过这种实施方式的修正后的主电子束的偏移距离在两个方向(例如合成磁场的方向、以及经调整后与合成磁场正交的合成电场的方向)上都有很大程度的降低，使得主电子束偏移最小。
在本公开的另一些实施例中，例如，所述静电偏转器31的所述至少一对成对对置电极由导磁材料制成为额外的磁极且还分别包括贴附于其电极主体的径向外侧上的各自的励磁线圈，且配置成在激励电流通过所述励磁线圈中的情况下协同工作以产生额外的磁场。具体地，如图所示，电极301和电极303被施加偏置电压形成电场308，磁极302和磁极304上线圈306加上激励电流形成磁场307，两者例如由于前述各种原因而并非严格正交。替代地或补充地，此时，在所述静电偏转器31由导磁材料制成的情况下，也例如以电极301和电极303产生的电场308为基准，调整磁场与之相配。亦即通过增加一个与磁场307垂直的磁场分量，使得其与原有磁场307共同产生的合成磁场与电场308垂直。例如，这是通过将301和303也作为磁极、并且在其上以绕制同向线圈，并且施加激励电流来产生额外的磁场。由此，由电极301和303充当绕制有同向线圈并且在线圈中施加激励电流的额外磁极来提供的额外的磁场，与302和304的磁激励线圈所提供的原有磁场307互为垂直的偏转子磁场，二者合成后得到任意方向的合成磁场。通过调节由电极复用充当磁极所产生的额外的磁场，能够使得额外磁场与原有磁场的合成磁场满足与电场308严格正交的条件，使得维恩过滤器的电磁场条件得到更好的满足，将带电粒子的轨迹偏差控制到最小。通过仿真分析得到，经过这种实施方式的修正后的主电子束的偏移距离在两个方向(例如合成磁场的方向、以及经调整后与合成磁场正交的合成电场的方向)上都有很大程度的降低，使得主电子束偏移最小。
进一步地，作为一种优选的实施例，例如，在图5的基础上，所有磁极和所有电极在功能上是合一的，即，如图5所示每个极部即充当电极也充当磁极。具体地，由导电且导磁的材料形成极部，且每个极部的主体的径向外侧上同向绕制激励线圈。由此，若只对每对对置极部同时施加反向电压激励，由此图示偏转器作为一个四极静电偏转器。若对每个极部的激励线圈同时施加电流激励，则由此图示偏转器作为一个四极磁偏转器。若对每对对置极部同时施加反向电压激励且对每个极部的激励线圈同时施加电流激励，则由此图示偏转器作为一个四极的电磁复合偏转器。若电磁场的激励满足或接近维恩过滤器条件，即所产生的合成电场与所产生的合成磁场彼此正交。则图示偏转器作为一个维恩过滤器。
带电粒子束经过维恩过滤器时，维恩过滤器的贯通条件需要在延伸穿过其的光轴上各点都要满足，这就需要图5中的磁场307和电场308沿光轴的分布具有很高的匹配度(即合成磁场和合成电场的各自例如中心点沿着光轴的分布需要是基本上一致的，即各自沿着光轴的分布曲线需要是严格重合的)，以简化对于偏置电压和激励电流的激励控制。本公开的应用实例中，例如在如上优选实施例中磁极和电极例如是合一的/共用的情况下，虽然其电场和磁场的沿轴分布是比较类似的，但这并不能确保二者完全匹配，如图7(a)所示，是维恩过滤器的沿着光轴的电场和磁场的分布曲线图，如图中曲线所示可发现在两条曲线在各自的趋于远离光轴原点(即大致位于维恩过滤器的通孔中心处，该处的轴向距离/长度例如视为0)的两侧靠近末端处(即合成电场和合成磁场均趋近于0处)的误差比较大，导致在该处降低了维恩过滤器的精确性。这是因为电场线是不闭合的，而磁力线是闭合的，且磁力线在形成闭环的过程中，在趋于远离光轴原点的两侧末端附近会出现磁场方向突然改变的情况，如图8(a)的磁力线分布示意性所示。为了在边缘处实现合成电场与合成磁场之间更高的匹配度，例如，额外引入调节件。
图6示出根据本公开另外实施例的维恩过滤器的立体结构图，图示出所述维恩过滤器具备额外的示意性呈环状的调节件。
在本公开的一些实施例中，如图6所示，作为示例，在如上设计的维恩过滤器的主体结构两侧分别添加与维恩过滤器同轴布置的呈环状的调节件。例如，响应于所述至少一对成对对置电极由导磁材料制成为额外的磁极且还分别包括贴附于其电极主体的径向外侧上的各自的励磁线圈的情况，所示调节件为分别同轴地布置于维恩过滤器主体两侧的磁环1009和1010，这两个磁环分别与维恩过滤器主体间隔开。通过调整磁环的位置、形状，来实现对维恩过滤器主体两侧的边缘磁场分布的修正。所述磁环被定位和确定尺寸以收敛所述维恩过滤器的沿着光轴的原有合成磁场边缘处的磁力线以在光轴上匹配合成电场。本公开实施例中，通过在维恩过滤器主体两侧光轴上的远离光轴原点的例如磁场边缘处分别添加合适大小的磁环，便于光轴上经过合成磁场的边缘处上的磁力线在该处实现收敛，从而收缩轴上磁场的分布范围，降低磁场与电场的分布误差，在两侧边缘处有更好的匹配度，如图8(b)所示。通过添加磁环1009和电场磁1010，维恩过滤器的光轴上的原有合成磁场边缘处的磁场分布减弱，磁力线被磁环所收敛，使得由于磁力线在该处受磁环的磁力作用的影响而向内收敛，则在原来在合成磁场边缘处发生的磁力线方向突变现象由此被缓解，即磁场分布沿着光轴在原来方向突然改变的区域中方向急剧变化的幅度有所缓解，从而使得通过在所述维恩过滤器边缘处或附近光轴上的磁力线收敛，进而导致降低磁场与电场各自的分布之间的匹配程度误差；换言之，利用同轴地布置于维恩过滤器主体两侧的磁环1009和1010，实现了在两侧边缘处磁场分布与电场分布之间的更好的匹配度。如图9(b)所示。作为示例，假定磁极的凸台的外径为R2，则磁环的内径范围在0.1R2至1.5R2之间，与偏转器的间隔在0.1R2到3R2之间，通过磁环的位置和尺寸来修正维恩过滤器的沿着光轴的原有合成磁场边缘处的磁力线分布的设计，都在本专利的保护范围之内。
在本公开的一些替代实施例中，如图6所示，在如上设计的维恩过滤器的主体结构两侧分别添加与维恩过滤器同轴布置的呈环状的调节件。例如，响应于所述至少一对成对对置磁极由导电材料制成为额外的电极的情况，所述调节件为分别同轴地布置于维恩过滤器主体两侧的电极环1009和1010，这两个电极环分别与维恩过滤器主体间隔开。电极环1009和1010除了接地以外，还例如分别被施加偏置电压，由此产生额外电场来对维恩过滤器的沿着光轴的原有合成电场边缘处(电场强度接近于0)的电场分布进行调整修正。所述电极环被定位和确定尺寸以修正维恩过滤器的沿着光轴的原有合成电场的电场强度接近于0的边缘处的电场分布以在光轴上匹配合成磁场。作为示例，假定电极的凸台的外径为R2，则电极环的内径范围在0.1R2至1.5R2之间，与偏转器的间隔在0.1R2到3R2之间，通过电极环的位置和尺寸来修正维恩过滤器的沿着光轴的原有合成电场边缘处的电场的设计，都在本专利的保护范围之内。
图9(a)、图9(b)和图9(c)分别示出在维恩过滤器主体两侧添加充当调节件的磁环后对于轴上场分布情况的影响；且图10(a)、图10(b)和图10(c)分别示出在维恩过滤器主体两侧添加充当调节件的电极环后对于轴上场分布情况的影响。
根据本公开实施例，如图9(a)、图9(b)和图9(c)，以及图10(a)、图10(b)和图10(c)所示，通过选择合适的磁环和电极环参数(位置、大小、激励等)，实现在轴上获得匹配度较高的电场和磁场分布。
例如，图9(a)、图9(b)和图9(c)分别是磁环与维恩过滤器相距1.5mm，磁环厚度分别为0.5mm、1mm、1.5mm情况下的轴上的偏转场(合成电场和合成磁场二者)分布情况。如图所示，从合成磁场和合成电场二者之间的匹配度来看，在磁环厚度为1mm的情况下，匹配效果最好，此时有利地满足维恩过滤器条件。
并且，例如，图10(a)、图10(b)和图10(c)分别是电极环与维恩过滤器相距0.5mm、1.5mm、1mm，且电极环厚度为0.5mm情况下的轴上的偏转场(合成电场和合成磁场二者)分布情况。如图所示，从合成磁场和合成电场二者之间的匹配度来看，在电极环与维恩过滤器之间的间距为1mm的情况下，匹配效果最好，此时有利地满足维恩过滤器条件。
综上，磁环或者电极环厚度在0.1-5mm范围，间距在0.1-10mm范围之内的设计，都在都在本专利的保护范围之内。
通过设置磁环或电极环来充当调节件，并且通过其位置和尺寸的调整，便利于实现对于维恩过滤器的沿着光轴的原有合成磁场或电场边缘处的磁场或电场的设计的修正，以利于实现合成电场与合成磁场之间更高的匹配度，从而更严格地符合维恩过滤器的条件。
图11示出根据本公开实施例的带电粒子束成像设备的结构示意图，其中使用了上述的维恩过滤器。
在本公开实施例的另一方面中，如图11所示，提供一种带电粒子束成像设备2，所述带电粒子束成像设备2被构造成向待测样品表面投射入射带电粒子束以生成带电粒子图像的电子光学设备，包括：
带电粒子源201，配置成用以发射所述入射带电粒子束；
至少一对偏转器1；
如上所述的维恩过滤器；以及
二次带电粒子检测器202，位于光轴z外且布置于所述带电粒子源201与所述样品之间，且配置成采集由所述入射带电粒子束投射至所述待测样品而产生的二次带电粒子并且成像；
其中，所述至少一对偏转器1，相对于所述入射带电粒子束的光轴z对称布置，且配置成响应于施加在其上的光栅扫描信号来偏转和投射所述入射带电粒子束至待测样品(例如半导体器件)的待测表面。
并且，所述维恩过滤器配置成用于偏转二次带电粒子例如二次电子并投射至二次带电粒子检测器202进行成像。由于如上所述的维恩过滤器被包括于所述带电粒子束成像设备2中，该维恩过滤器的其具体结构特征在此不再赘述；且因而所述带电粒子束成像设备2也具备上述维恩过滤器的技术效果，在此也不再赘述。
在进一步的实施例中，例如，所述的带电粒子束成像设备2还包括物镜203，所述物镜203被布置成与所述光轴z同轴地布置于所述至少一对偏转器1下游，且配置用于将经由所述偏转器偏转后的所述入射带电粒子束会聚并且最终投射至待测样品表面。
在进一步的实施例中，例如，所述的带电粒子束成像设备2还包括：
至少一个聚焦透镜204，与所述光轴z同轴地布置于带电粒子源201与所述至少一对偏转器1之间，且配置成对即将入射到偏转器中的待偏转的所述入射带电粒子束进行预聚焦和准直；和
限制光阑205，布置于所述至少一个聚集透镜204与所述至少一对偏转器1之间，且配置用以调节所述入射带电粒子束的形状和/或大小。
在进一步的实施例中，例如，所述带电粒子束成像设备2还包括：像差修正装置，所述像差修正装置与所述光轴同轴地布置在所述至少一对偏转器与所述物镜之间，并且配置成用来对经过的所述入射带电粒子束的束斑执行动态校正。
在进一步的实施例中，例如，如图11所示，所述带电粒子束成像设备22包括的所述维恩过滤器位于物镜203内，其作用是将穿过其中的二次带电粒子进行偏转到光轴z一侧、朝向二次带电粒子检测器202入射以供进行二次带电粒子检测和成像。
图12(a)示出充当入射带电粒子束的主电子束经过维恩过滤器的状态；且图12(b)示出充当二次带电粒子束的二次电子束反向经过维恩过滤器的状态。
作为示例，图12(a)和图12(b)分别示出了主电子束和二次电子束经过新设计的维恩过滤器结构时的轨迹。主电子束经过维恩过滤器并且击打在样品表面，轴上电子束偏移距离非常小，从而主电子束基本不受影响。溅射出的二次电子反向穿过维恩过滤器，击打在二次电子探测器上，轴上的二次电子偏移距离较大，使得返回的二次电子大部分都被探测器接收，减小了探测器中心孔的影响，提高了二次电子检测效率，从而提高图像的品质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。