具体实施方式

本公开涉及例如电子束源、场发射器、电子枪等带电粒子束（CPB）源以及用于其制造的系统和方法的实施例。本文中所公开的CPB源是在例如CPB显微镜的CPB系统的上下文中论述的，但也可适用于其它应用，例如电子全息术、x射线源、平面显示器、喷射推进等。本文中所描述的CPB源可包含：导电（例如，金属）支撑构件，例如钨发夹，其联接到一对电极；以及金属（例如，钨）安装构件，其联接到支撑构件的顶端且从支撑构件的顶端延伸。安装构件可限定其中收纳例如LaB₆或CeB₆灯丝的发射器构件的轴向孔。安装构件可进一步限定在安装构件的侧面中且从安装构件的自由端轴向偏移的至少一个开口、孔隙或通道。发射器构件可通过固定液材料层保持在安装构件的孔中，所述固定液材料层围绕安装构件流动，通过至少一个通道，并且进入孔中，使得孔的内表面、发射器构件的对应表面和/或安装构件的外表面由固定液材料层涂布。本文中所公开的CPB源可提供束产生发射器与CPB系统的光轴的改进对准，以及在高温下持续长时间周期的稳定且可靠的操作而没有显著劣化，并且无需通过结构的其它元件施加的压缩力将发射器构件夹持或固持在适当位置。

实例1

图1说明包括束柱102的带电粒子束（CPB）系统100的代表性实施例。束柱102可为例如带电粒子显微镜，例如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）或组合扫描和透射电子显微镜（STEM）。在所说明实施例中，为了便于参考而非限制，束柱102被配置为扫描电子显微镜（SEM）。SEM 102可包括一个或多个CPB透镜，例如聚光透镜116和物镜106。在一些实施例中，一个或多个CPB透镜可为磁力透镜，并且特定而言，物镜106可为磁力物镜。SEM102经定位以用于产生目标或工件W的图像。

SEM 102可安装到或在真空室108中，所述真空室容纳用于固持和移动工件W的定位系统110。真空室108可使用真空泵（未展示）抽空。

SEM 102可包括CPB源112，所述CPB源可根据本文中所描述的CPB源实施例中的任一个进行配置。SEM 102可被配置成操控来自CPB源112的“原始”辐射束，并且对其执行例如聚焦、像差减轻、裁剪（使用孔隙）、滤波、扫描等操作。举例来说，CPB源112可产生沿着粒子光轴115传播的输入带电粒子束114（例如，电子束）。SEM 102大体上可包括将束114聚焦到工件W上的一个或多个透镜（例如CPB透镜），例如聚光透镜116和物镜106。在一些实施例中，SEM 102可提供有可被配置成操纵束114的偏转单元118。举例来说，可扫描运动（例如，光栅或向量扫描）跨被研究的样品或待处理的工件操纵束114。在某些实例中，使用额外CPB部件，例如其它透镜、偏转器、柱头和/或孔隙，但为了方便说明而未展示。

CPB系统100可进一步包括计算机处理设备和/或控制器128，以用于尤其控制偏转单元118、带电粒子束（CPB）透镜106、116、定位系统110和检测器（未展示），并且用于在显示单元上显示从检测器收集的信息，例如工件或其部分的图像、位置信息或系统控制数据。在一些情况下，提供控制计算机130以建立各种激发、记录成像数据并且大体上控制SEM、定位系统等的操作。

实例2

图2和3说明根据一个实施例的带电粒子束（CPB）源部件、模块或组件200。CPB源200可包括基座201，所述基座包括绝缘主体202和两个定位或嵌入在绝缘体202中的电极204和206。在某些实施例中，绝缘体202可包括高温绝缘材料，例如各种陶瓷材料中的任一个（例如，氧化铝、氮化硼、玻璃、可机械加工的玻璃陶瓷等）。

CPB源200可进一步包括弯曲的或成角度的支撑构件208（还被称作“发夹”），其在绝缘体202的一侧上互连两个电极204和206。在所说明的实施例中，支撑构件208可包括在顶端214处联接在一起的第一部分210和第二部分212。支撑构件208的第一部分210可联接或电连接到电极204，并且支撑构件的第二部分212可联接或电连接到电极206。在某些实例中，第一部分210和第二部分212可在相应的电极204和206的相对侧上联接（例如，到沿周向偏移180°的圆柱形电极的表面的点），以便将顶端214与绝缘体202的纵向轴线（例如，轴线218）对准。然而，在其它实施例中，部分210和212可取决于系统的特定要求而彼此联接在电极的相同侧上。

CPB源200可进一步包括安装构件216，所述安装构件联接到支撑构件208的顶端214且从所述顶端延伸。图3更详细地说明安装构件216。在所说明的实施例中，安装构件216被配置为圆柱体，其包含联接到支撑构件208的顶端214的第一端部分220和自由的第二端部分222，尽管在其它实施例中安装构件可具有任何形状。安装构件216可限定纵向轴线218。安装构件216可独立地形成且附接到支撑构件208（例如，通过焊接），或可与支撑构件一体地形成，使得支撑构件和安装构件是一体构造。如本文中所使用，术语“一体地形成”和“一体构造”是指不包含任何焊缝、紧固件或用于将独立地形成的材料件彼此紧固的其它构件的构造。

参考图5，安装构件216可进一步包括轴杆/内腔/空腔/孔226，其形成在安装构件中且在沿着纵向轴线218（图3）的方向上从自由的第二端部分222延伸。举例来说，在所说明的实施例中孔226包括在自由的第二端部分222的自由边缘处的开口228，并且可被配置成收纳发射器构件或灯丝224，如下文进一步描述。在某些实施例中，孔226可取决于例如发射器构件224的长度而沿着安装构件216的长度的任何部分延伸。在所说明的实施例中，孔226具有对应于发射器构件224的矩形截面的矩形截面，尽管在其它实施例中，孔可取决于发射器的形状而具有任何截面形状，例如圆形或环形截面。

在某些实施例中，安装构件216还可包括一个或多个开口，所述开口沿着其长度间隔开且被配置为通道/凹口/沟槽/狭槽230。通道230可形成在安装构件216的第二端部分222中，并且可至少部分地延伸穿过安装构件的截面。参考图3和图5，在下文更详细地描述的固定液材料层242的应用之前，通道230可与孔226流体连通。在某些实施例中，通道230可垂直于纵向轴线218（图3）延伸，并且可沿着安装构件216的长度彼此轴向间隔开。

在特定实施例中，通道230可形成在自由的第二部分222中。举例来说，在所说明的实施例中，自由的第二端部分222包括两个通道230A和230B，所述两个通道沿着纵向轴线218彼此轴向间隔开，并且延伸穿过安装构件的厚度大约一半。自由的第二端部分222可进一步包括弯曲的突起或延伸，所述弯曲的突起或延伸被配置为安置在连续通道230之间和/或在某些实施例中在自由的第二端部分222的端面处的保持构件/部分232。举例来说，在图5中所说明的实施例中，安装构件216包括在通道230A与230B之间的弯曲的保持部分232A，以及位于通道230B的远侧的弯曲的保持部分232B。孔226可延伸穿过保持部分232A和232B。

仍然参考图5，在所说明的实施例中，安装构件216可进一步包括从保持部分230B轴向（例如，向远侧）延伸的延伸部分或托架部分234。托架部分234可限定纵向延伸的凹口或通道236，所述凹口或通道轴向对准且与孔226流体连通（至少在发射器构件224的插入和固定液材料层242的应用之前）。在某些实施例中，托架部分234可包括三个轴向延伸的尖突起248、250和252，它们一起可限定凹口246。

在某些实施例中，通道230可如在所说明的实施例中沿圆周彼此对准，或可沿圆周偏移。举例来说，在某些实施例中，通道230可形成在围绕安装构件216的圆周的任何地方，并且可具有任何角度间隔。举例来说，图14说明其中通道230A和230B沿圆周彼此偏移180°的另一实例。通道230还可形成为具有均匀的轴向间隔，如所说明，或在通道之间具有不同的轴向间隔，这取决于系统的特定要求。通道230还可具有如在轴向方向上测量的任何宽度，并且可围绕安装构件的圆周的任何比例延伸。通道还不需要具有相同宽度或圆周长度。在其它实施例中，安装构件可仅包含单个通道230，如图15中所说明。在又其它实施例中，通道230可为与孔226流体连通的任何大小和/或形状的开口或孔隙，并且可沿着安装构件216和/或围绕所述安装构件以任何数目和在任何位置处形成以准许固定液进入孔中。举例来说，图16说明包含多个圆形孔隙260的安装构件216，所述圆形孔隙可如所展示彼此成角度地和纵向地对准，或以任何布置成角度地和/或纵向地偏移。安装构件还可包含沿着安装构件轴向间隔开的多排或多条此类孔隙260。在仍其它实施例中，发射器构件224可例如在顶端处收纳在形成在支撑构件208中的孔中，并且不需要包含安装构件。

如上文所提及，CPB源可进一步包括联接到安装构件216的发射器构件224。更特定而言，发射器构件224的基部或第一端部分238（图6）可收纳在安装构件216的孔226中，并且发射器构件可在沿着纵向轴线218（图3）的方向上从安装构件的自由的第二端部分222轴向延伸。在某些实施例中，发射器构件224的末端或自由端部分可为锐利的或尖的。在所说明的实施例中，发射器构件224具有对应于矩形孔226的矩形截面，尽管发射器构件224和孔226可具有任何截面形状。

发射器构件224可包括呈现出相对较低的功函数（例如，2.93 eV或更小，例如2.6eV或更小）的多种材料中的任一种。示例性材料可包含结晶六溴化镧（LaB₆）、六溴化铯（CeB₆）、结晶钨（例如，W（100））、涂布有ZrO的结晶钨、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米锥、ZnO纳米带、WOx纳米线或其它金属纳米线等。

在某些实施例中，尽管发射器构件224和孔226具有相同的截面形状，但孔226的截面（例如，截面积）可大于发射器构件的第一端部分238的截面（例如，截面积）。这在图11中说明，其中发射器构件224的第一端部分238的截面示意性地展示为叠合在孔226的截面上。因此，在将发射器构件224固定或附接到安装构件216之前，发射器构件可相对于安装构件在孔226内纵向地自由移动。因此，与现有的沃格型CPB源不同，在所说明的实施例中，安装构件216不夹持发射器构件224或将压缩力施加到所述发射器构件以将发射器构件固持在适当位置。

因此，固定液材料、粘合剂或固定或粘合剂装置可用于将发射器构件224紧固在孔226内的适当位置。在某些实施例中，固定液材料可呈将发射器构件224固定/结合/紧固/联接/附接到安装构件216的材料层的形式，并且在本文中被称为固定液材料层242（图3和7）。在某些实施例中，固定液材料层242可为在液体或可流动状态下应用的材料，例如胶态液体或溶胶的分散相。在特定实施例中，固定液材料层242可包括在胶态石墨混合物的液体相位或介质的蒸发之后留下的石墨层。在某些实施例中，固定液材料层242可至少部分地围绕孔226中的发射器构件224的周边和/或围绕安装构件216的外部延伸，以将发射器构件224结合或紧固在孔中的适当位置。

可用于形成固定液材料层242的示例性材料包含石墨、石墨烯、巴克球（Buckyball）（例如，C₆₀）、碳纳米管、无定形碳等。此类材料可用作胶态混合物的部分（例如，分散相），其中液相包括水（例如，水性胶态混合物）、醇（例如，异丙醇）、丙酮等中的任一个。在其它实施例中，发射器构件224可使用具有相对较高的熔化温度的其它材料和/或包含聚焦离子束（FIB）焊接的其它过程、各种薄膜沉积技艺中的任一个紧固在适当位置，所述其它材料包含钨、铼、钼、钽等，所述薄膜沉积技艺例如e束沉积、热蒸发、溅镀、化学气相沉积、原子层沉积等。

在某些实施例中，支撑构件208和/或安装构件216可由任何导电的高温材料制成，例如具有相对较高的熔点的各种金属中的任一种。非限制性实例包含钨（W）（例如，多晶钨）、钼（Mo）、钽（Ta）、铼（Re）、铌（Nb）等，和/或此类金属的组合或合金。

图4-9说明根据一个实施例的制造CPB源200的代表性过程。图4说明在形成孔和通道之前的未机械加工状态下安装到支撑构件208的安装构件216。在某些实施例中，安装构件216的自由的第二端部分222可包括尖端244。在某些实施例中，支撑构件208和/或绝缘体202可安装在合适固定件中，并且孔226可通过例如各种铣削或微机械加工技艺中的任一种形成，所述技艺例如激光束机械加工、聚焦离子束铣削等。可以类似方式和/或通过包含化学蚀刻（例如，湿蚀刻或干蚀刻）、光刻等的其它技艺形成通道230。

图5说明在形成孔226和通道230之后的安装构件216。在所说明的实施例中，尖端244（图4）的一部分可部分地铣削掉以形成托架部分234和突起248-252。在其它实施例中，尖端244保持不被铣削，或可被完全铣削掉。参考图6，发射器构件224可接着在箭头254的方向上使用例如显微操控器插入到孔226中。在收纳在孔中时，保持部分232A和232B可在发射器构件224周围或上方延伸，使得发射器构件由保持部分的位置处的安装构件的材料包围。

参考图7，发射器构件224可接着通过应用固定液材料层242紧固在适当位置。在某些实施例中，固定液材料层242可以液态应用（例如，使用移液管注入），如在胶态石墨的情况下。胶态液体可围绕通道230流动且通过所述通道，进入孔226（图5）中，并且围绕发射器构件224，使得发射器构件224和孔的内表面基本上沿着孔226的全长由胶态液体润湿。可允许液体介质或胶态液体的相蒸发，从而使固定液材料层（例如，石墨层）涂覆/覆盖/囊封/包封发射器构件、孔和安装构件的表面以将发射器构件224固持在适当位置。在某些实施例中，固定液材料层242可填充发射器构件224与超大孔226之间的间隙或空腔，如图7和8中所展示。在某些实施例中，固定液材料层242和安装构件216可在高温下结合/熔合/焊接在一起，以进一步辅助将发射器构件224紧固到安装构件，例如在其中固定液材料层包括碳或石墨且安装构件包括钨的实施例中。在正常显微镜操作期间和/或在其中加热组件的磨合期期间，可能会发生此类熔合或焊接。

图8说明紧固到安装构件216的发射器构件224。在某些实施例中，发射器构件224可接着经受额外处理或塑形步骤以用作冷场发射器、肖特基发射器等。举例来说，在某些实施例中，发射器构件224可被缩短，使得其延伸超出安装构件216达指定距离（例如，在某些实施例中为200 μm）。在某些实施例中，取决于所需的特定特性，发射器构件224的末端或自由端部分还可被塑形/机械加工/铣削成一个点或其它指定形状。举例来说，图9和10说明被配置为锥形（图9）和纳米棒（例如，圆柱形或基本上圆柱形）（图10）的发射器构件224。此类发射器可被配置成用作冷场发射器或肖特基发射器。

图12说明安装在带电粒子显微镜300中的CPB源200的截面视图，所述CPB源可根据本文中所描述的CPB系统中的任一个配置。在安装在显微镜300中时，发射器构件224可沿着显微镜的粒子光轴302精确地对准。通过电偏压和/或加热（例如，通过使电流流动通过支撑构件208）发射器构件224（取决于发射器是被配置为冷场发射器还是肖特基发射器），发射器构件224可发射带电粒子束，可通过如上文所描述的束柱的各种元件操控和聚焦所述带电粒子束。在图12中，仅支撑构件208的第二部分212的位于截面的平面后方的部分是可见的。

本文中所描述的实施例中的一个或多个可提供优于现有CPB源的显著优点。举例来说，将发射器构件插入到安装构件的孔中且通过使固定液材料流动到孔中来将发射器构件紧固在适当位置允许制造比使用传统的沃格安装件可能小得多的CPB源。本文中所描述的CPB源的安装构件216的直径可为几十微米或更小，而类似的沃格安装件可能需要直径或主要尺寸为几百微米至几毫米的钨基座安装件或夹持构件。因此，如本文中所描述而配置的CPB源的束产生部分可比包含沃格安装件的类似CPB源小十倍。这还可减少将发射器灯丝加热到其操作温度所需的电流需求，从而对应地提高了热稳定性。

此外，与现有源相比，生产本文中所描述的CPB源所需的时间可显著减少，同时提供相同或优良的性能。更特定而言，因为孔226可形成为与安装构件216的轴线精确对准，所以发射器构件224在被收纳在孔中时可自动地与此轴线精确地对准，并且不需要复杂的对准程序和固定件。此外，因为发射器构件没有如在沃格安装件中那样通过支撑结构施加的压缩力夹持或固持在适当位置，所以安装发射器构件224的复杂性以及所需的时间也可显着减少。特定而言，本文中所描述的CPB源配置不需要将支撑结构的夹持构件散开以收纳发射器灯丝，也不需要例如石墨片的构件放置在夹持构件与发射器灯丝之间，所有这些使组装和对准变得复杂。

此外，孔形成、通道形成、发射器构件放置和/或固定液材料层的应用中的任何或全部可在敞开式实验室条件下（例如，“在空气中”）进行，而不需要在真空下执行。与现有束源相比，这可显著减少制造CPB源200所需的时间，尤其是那些需要在真空下进行FIB焊接或部件固定的束源。本文中所描述的CPB源的制造还可以商业规模自动化和/或实施。

具有本文中所描述的构造的CPB源已在带电粒子显微镜中在10^-6托的压力下加热到2200 K的温度约一小时，并且基本上未观察到来自固定液材料层的机械漂移或材料损失，从而指示本文中所描述的CPB源实施例是稳固和可靠的。

本文中所描述的CPB源可用于多种带电粒子束系统中的任一种，所述带电粒子束系统例如上文所描述的SEM、TEM或STEM，包含其中此类显微镜与例如聚焦离子束（FIB）的其它束柱组合在一起的多束系统。

图13说明制造CPB源200的代表性方法。在过程块400处，在将基座构件202安装在夹盘或固定件中的情况下，例如可用脉冲式或连续的波、聚焦或未聚焦的激光束在安装构件216中形成孔226。在过程块402处，可例如通过脉冲式或连续的波、聚焦或未聚焦的激光束、蚀刻或光刻工艺在安装构件216的自由的第二端部分222中形成开口/孔隙/通道230。在过程块404，在将基座构件202固持在一个固定件中且将发射器构件224固持在例如显微操控器的另一固定件中的情况下，发射器构件可与孔226对准且插入到所述孔中。在过程块406处，可例如通过将胶态石墨液体移液到安装构件的自由的第二端部分222上来应用固定液材料层242，使得液体流动通过通道230到孔226中且围绕发射器构件224流动以涂布发射器构件、孔、保持部分和安装构件的其它部分的表面。在胶态液体的液相已蒸发时，取决于将在其中使用源的CPB系统的特定要求，可执行发射器构件224的进一步塑形。替代地，如上文所提及，固定液材料层可以其它方式应用，例如通过薄膜沉积等。

条款解释

如在本申请和权利要求中所使用，单数形式“一（a/an）”和“所述（the）”包含复数形式，除非上下文明确规定其它情况。此外，术语“包含”意指“包括”。另外，术语“联接”不排除联接项之间存在中间元件。

本文中所描述的系统、设备和方法不应解释为以任何方式进行限制。实际上，本公开针对各种所公开实施例的所有新颖和非显而易见的特征和方面，无论是单独地还是以彼此形成的各种组合和子组合。所公开的系统、方法和设备不限于任何具体方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和设备也不要求存在任何一个或多个具体优点或解决任何一个或多个具体问题。任何操作理论均是为了便于阐释，但所公开的系统、方法和设备不限于此类操作理论。

尽管为了便于呈现而以特定的循序次序来描述所公开的方法中的一些的操作，但应理解，除非本文中所陈述的具体语言要求特定排序，否则此描述方式涵盖对操作的重新排列。举例来说，在一些情况下，可重新布置或同时执行循序描述的操作。此外，为了简单起见，附图可能没有展示所公开的系统、方法和设备可与其它系统、方法和/或设备结合使用的各种方式。此外，本说明书有时使用像“产生”和“提供”的术语来描述公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高水平抽象。对应于这些术语的实际操作将根据特定实施而变化，并且可由本领域普通技术人员容易地辨别。

在一些实例中，值、程序或设备被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。将被认识到的是，此类描述旨在指示可在许多使用的功能替代方案中进行选择，并且此类选择不需要更好、更小或者优选于其它选择。

可参考指示为“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等的方向来描述某些实例。这些术语用于方便描述，但不暗示任何特定的空间取向。

尽管存在本文中所陈述的各种部件、参数、操作条件等的替代方案，但这并不意味着这些替代方案必须等效和/或同等地执行。除非另外陈述，否则也并不意味着按优先次序列出替代方案。

鉴于所公开技术的原理可应用于许多可能的实施例，应认识到所说明的实施例仅是实例且不应视为限制本公开的范围。相反，本公开的范围至少与所附权利要求书和其中所列举的特征的等效物一样广泛。因此，我们要求保护所有落入这些权利要求的范围和精神内的东西。