CZ2016597A3

CZ2016597A3 - An objective lens for a device using at least one beam of charged particles

Info

Publication number: CZ2016597A3
Application number: CZ2016-597A
Authority: CZ
Inventors: Jan Polster; Miloš Havelka
Original assignee: Tescan Brno, S.R.O.
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2018-05-02
Also published as: CZ307259B6; DE102017122013A1

Abstract

Objektivová čočka (100) pro zařízení využívající nejméně jednoho svazku nabitých částic zahrnuje elektrodovou část (3) umístěnou alespoň částečně ve vývrtu objektivu (8) a druhou část (4). Tyto části spolu tvoří jeden magnetický celek a jsou vzájemně elektricky izolované. Přivedením elektrického napětí na elektrodovou část (3) dojde k vytvoření extrakčního elektrického pole ovlivňujícího dráhy signálních elektronů (7, 10) a tím dochází ke zlepšení detekčních vlastností zařízení. V případě takto konstruované čočky je navíc výrazně snížena možnost mechanického poškození elektrodové části (3) a nedochází ke zmenšení zorného pole zařízení. Prostor uvnitř objektivu (100) není extrakční elektrodou omezen a je možné do něj umístit běžná příslušenství k zařízení, například detektor (9).An objective lens (100) for a device using at least one charged particle beam includes an electrode portion (3) positioned at least partially in the objective bore (8) and the second portion (4). These parts together form a single magnetic unit and are electrically isolated from each other. By applying an electrical voltage to the electrode part (3), an extraction electric field is created which affects the signal electron path (7, 10), thereby improving the detection properties of the device. Moreover, in the case of such a lens, the possibility of mechanical damage to the electrode part (3) is greatly reduced and the field of view of the device is not reduced. The space inside the lens (100) is not limited by the extraction electrode and it is possible to accommodate conventional equipment accessories, such as a detector (9).

Description

OBJEKTIVOVÁ ČOČKA PRO ZAŘÍZENÍ VYUŽÍVAJÍCÍ NEJMÉNĚ JEDNOHO SVAZKU NABITÝCH ČÁSTICLENSES FOR DEVICES USING AT LEAST ONE VOLUME OF LOADED PARTICLES

Oblast technikyTechnical field

Tento vynález se obecně týká zařízení využívajícího svazek nabitých částic, kterými jsou například rastrovací elektronové mikroskopy, iontové mikroskopy, nebo litografické systémy. Přesněji se vynález týká elektromagnetické objektivové čočky sloužící k zaostření svazku nabitých částic.The present invention generally relates to a device using a charged particle beam, such as scanning electron microscopes, ionic microscopes, or lithography systems. More specifically, the invention relates to an electromagnetic objective lens for focusing a charged particle beam.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Zařízení využívající svazku nabitých částic se uplatňují například v oblastech tavení a svařování materiálů, k povrchovým úpravám vzorků, modelování 3D struktur, obrábění a ionizaci materiálů, litografii, výrobě kovového prachu, depozici z plynné fáze, vytvrzování materiálů, nebo v elektronové mikroskopii. Pro ostření primárního částicového svazku na povrch zpracovávaného vzorku se používají zejména elektromagnetické nebo elektrostatické čočky.The charged particle beam devices are used in the areas of melting and welding of materials, surface treatment of samples, 3D modeling, machining and ionization of materials, lithography, metal dust production, gas phase deposition, material curing, or electron microscopy. In particular, electromagnetic or electrostatic lenses are used to focus the primary particle beam onto the surface of the sample being processed.

Běžná elektromagnetická čočka je tvořena cívkou umístěnou do obalu, nazývaného také jako magnetický plášť, vyrobeného z feromagnetického materiálu, který tvoří magnetický obvod. Magnetický plášť zahrnuje část bezprostředně obklopující cívku tzv. jho a jeden nebo více pólových nástavců. V případě, že cívkou protéká elektrický proud, dochází v místě přerušení magnetického obvodu k vytvoření magnetického pole mezi pólovými nástavci magnetického pláště. V případě dvoupólového objektivu s axiální mezerou nebo téměř axiální mezerou mezi pólovými nástavci (též konvenční čočka), je intenzita magnetického pole v blízkosti primárního částicového svazku nejvyšší v oblasti ohraničené rovinami magnetických pólů čočky a průnik tohoto pole do oblasti zkoumaného vzorku je nevýznamný. U dvoupólových čoček s radiální nebo přibližně radiální mezerou mezi pólovými nástavci je naopak vzorek podstatným způsobem vnořen do magnetického pole čočky (tzv. imerzní pole či imerzní čočka). Imerzní magnetické pole může být vytvářeno také čočkou s jedním pólovým nástavcem (tzv. jednopólová čočka), kde intenzita magnetického pole směrem ke vzorku klesá pomaleji v porovnání s čočkami s radiální mezerou a imerzní magnetické pole je tak využitelné ve větším rozsahu pracovních vzdáleností. Využití čoček generujících imerzní magnetické pole je výhodné pro docílení vysokého rozlišení výsledného obrazu, zvláště pro nízké kinetické energie dopadajícího svazku, neboť takové objektivové čočky mají malé optické vady.A conventional electromagnetic lens consists of a coil placed in a package, also called a magnetic sheath, made of a ferromagnetic material that forms a magnetic circuit. The magnetic housing comprises a portion immediately surrounding the yoke and one or more pole pieces. If an electric current flows through the coil, the magnetic field between the pole pieces of the magnetic sheath is created at the point where the magnetic circuit is broken. In the case of a two-pole objective with an axial gap or an almost axial gap between the pole pieces (also a conventional lens), the magnetic field intensity near the primary particle beam is highest in the area bounded by the magnetic pole planes of the lens. In the case of two-pole lenses with a radial or approximately radial gap between the pole pieces, the sample is substantially embedded in the magnetic field of the lens (the so-called immersion field or immersion lens). The immersion magnetic field can also be generated by a single pole lens (so-called single-pole lens), where the magnetic field strength toward the sample decreases more slowly compared to lenses with a radial gap and the immersion magnetic field is usable over a larger range of working distances. The use of immersion magnetic field generating lenses is advantageous for achieving high resolution of the resulting image, especially for low kinetic energies of the incident beam, as such objective lenses have small optical defects.

Při dopadu primárního svazku na vzorek může vzniknout množství takzvaných signálních částic, například sekundárních elektronů, zpětně odražených elektronů, iontů, fotonů nebo Augerových elektronů. Detekováním signálních částic a následným vyhodnocením těchto dat lze získat informace o vlastnostech studovaných vzorků, tedy například o struktuře povrchu nebo materiálovém složení vzorku. Detektory signálních částic mohou být umístěny v pracovní komoře nebo jsou umísťovány také dovnitř objektivu nebo nad objektiv blíže ke zdroji primárního svazku nabitých částic. V případě umístění detektoru do prostoru objektivu nebo nad objektiv je detekce signálních částic omezena pouze na signální částice schopné proletět nejprve vývrtem objektivu. Vývrtem objektivu je rozuměn jakýkoliv otvor v magnetickém plášti na optické ose oddělující prostor pracovní komory od prostoru uvnitř objektivu.The impact of the primary beam on the sample can produce a number of so-called signal particles, for example secondary electrons, backscattered electrons, ions, photons or Auger electrons. By detecting the signal particles and then evaluating these data, it is possible to obtain information about the properties of the studied samples, eg the surface structure or material composition of the sample. The signal particle detectors may be located within the working chamber or may also be placed inside or above the lens closer to the primary charged particle beam source. When the detector is placed in or above the lens area, the detection of signal particles is limited to signal particles capable of passing through the objective bore first. By the objective bore is meant any opening in the magnetic housing on the optical axis separating the chamber of the working chamber from the area inside the lens.

V případě, kdy je průnik magnetického pole čočky do oblasti vzorku nevýznamný, je tyí podíl signálních částic schopných proletět vývrtem do objektivu, dán především geometrickým uspořádáním soustavy (např. průměrem vývrtu, vzdáleností vzorek-objektiv nebo náklonem vzorku). U objektivů s radiální mezerou mezi pólovými nástavci či u jednopólové čočky nabývá pro elektricky nabité signální částice dominantního vlivu imerzní magnetické pole čočky. Tyto částice se pohybují v imerzním magnetickém poli objektivové čočky přibližně po šroubovicích, jejichž osy jsou souhlasné s magnetickými indukčními čarami. Indukční čáry imerzního magnetického pole jsou v oblasti mezi objektivovou čočkou a vzorkem téměř rovnoběžné s optickou osou primárního svazku částic a signální nabité částice jsou tak směřovány od vzorku ve směru optické osy.In the case where the penetration of the magnetic field of the lens into the sample area is insignificant, the majority of the signal particles capable of passing through the bore into the lens is mainly due to the geometric arrangement of the system (eg bore diameter, sample-objective distance or tilt). For lenses with a radial gap between the pole pieces or a single-pole lens, the immersion magnetic field of the lens is dominant for electrically charged signal particles. These particles move in the immersion magnetic field of the objective lens approximately along helices whose axes coincide with the magnetic induction lines. The induction lines of the immersion magnetic field are almost parallel to the optical axis of the primary particle beam in the region between the objective lens and the sample, and the signal charged particles are thus directed away from the sample in the optical axis direction.

» 4»4

Jsou-li signální částice rozptýleny pod velkým úhlem směrem od optické osy primárního částicového svazku, je množství signálních částic detekovaných pomocí detektoru umístěného v objektivu nebo nad objektivem malé. Počet částic dopadajících na tento detektor může být také redukován dalšími faktory, například zvyšující se vzdáleností vzorku Á od objektivu nebo tím, že magnetické imerzní pole nenavádí žádoucím směrem všechny signální částice a některé dokonce vrací zpět na vzorek. Dalším z faktorů je, že v prostoru pólového nástavce dochází k prudké změně vektoru magnetické indukce, což vede k rozptýlení elektricky nabitých signálních částic do tak velkého rozsahu úhlů, že velkou část z nich již příslušný detektor není schopen zachytit.When the signal particles are dispersed at a large angle away from the optical axis of the primary particle beam, the amount of signal particles detected by a detector located in or above the lens is small. The number of particles impinging on this detector can also be reduced by other factors, for example by increasing the distance of the sample A from the objective, or by the fact that the magnetic immersion field does not guide all signal particles in the desired direction and even returns some to the sample. Another factor is that the magnetic induction vector changes rapidly in the space of the pole piece, which leads to the dispersion of electrically charged signal particles over such a wide range of angles that a large part of them are no longer able to be detected by the respective detector.

Tyto efekty je možno potlačit použitím takzvané extrakční elektrody, na kterou je přivedeno napětí, které je vyšší než napětí přivedené na vzorek. Ve vytvořeném elektrostatickém poli jsou signální nabité částice urychlovány ve směru od vzorku k objektivu (extrakce signálních částic) a následně pak směrovány do blízkosti detektoru. Extrakční elektroda může být umístěna mezi detektorem a vzorkem v objektivové čočce nebo může být umístěna mezi objektivem a vzorkem. Obecně platí, že čím dále je elektroda od oblasti vzniku signálních částic, tím větší napětí je na ni nutné přivést pro zachování stejné extrakční účinnosti. V případě umístění extrakční elektrody pod objektiv může dojít ke snížení rozsahu pracovních vzdáleností mikroskopu, a tím i jeho rozlišení. Také je zde riziko nechtěného kontaktu nabité elektrody se vzorkem a možné následné poškození vzorku či elektrody proudovým impulzem.These effects can be suppressed by the use of a so-called extraction electrode to which a voltage is applied that is higher than the voltage applied to the sample. In the generated electrostatic field, the signal charged particles are accelerated in the direction from the sample to the objective (signal particle extraction) and then directed towards the detector. The extraction electrode may be positioned between the detector and the sample in the objective lens or may be located between the objective and the sample. In general, the further the electrode is away from the signal particle formation area, the greater the voltage must be applied to it to maintain the same extraction efficiency. If the extraction electrode is placed under the objective, the range of the working distance of the microscope and thus its resolution may be reduced. There is also the risk of accidental contact of the charged electrode with the sample and possible subsequent damage to the sample or electrode with a current pulse.

Japonský patent JPS63274049 znázorňuje extrakční elektrodu uvnitř axiální objektivové čočky. V tomto případě je extrakční elektroda umístěna uvnitř magnetického pole objektivové čočky. Nevýhodou tohoto řešení je umístění elektrody uvnitř vývrtu objektivu. Dochází tak ke zmenšení průměru vývrtu objektivu i v případě, kdy extrakční elektroda není využívána.Japanese patent JPS63274049 shows an extraction electrode inside an axial objective lens. In this case, the extraction electrode is located inside the magnetic field of the objective lens. The disadvantage of this solution is the placement of the electrode inside the lens bore. This reduces the diameter of the lens bore even when the extraction electrode is not in use.

Patent US5412209 popisuje imerzní dvoupólovou objektivovou čočku s radiální mezerou mezi pólovými nástavci zahrnující extrakční elektrodu. Systém je koncipován pro analýzu vzorků s výraznými nerovnostmi na jejich povrchu. Kombinace magnetického pole čočky a elektrického pole elektrody zajišťuje extrakci signálních částic z jakéhokoliv místa λUS5412209 discloses an immersive two-pole objective lens with a radial gap between the pole pieces comprising an extraction electrode. The system is designed for the analysis of samples with significant irregularities on their surface. The combination of the magnetic field of the lens and the electric field of the electrode ensures the extraction of signal particles from any location λ

> ·> ·

vzorku, včetně dna prohlubní. Jako nejvýhodnější umístění extrakční elektrody se uvádí vývrt v pólovém nástavci. Kombinace čočky s jedním pólovým nástavcem a extrakční elektrody je popsána v patentu US5578822. Extrakční elektroda se v tomto případě nachází v prostoru oddělujícím první imerzní čočku a druhou konvenční čočku. Toto uspořádání s extrakční ¥ elektrodou zvyšuje množství elektronů dopadajících na detektor umístěný uvnitř objektivu.sample, including the bottom of the depressions. The most preferred location for the extraction electrode is the bore in the pole piece. A combination of a single pole lens and an extraction electrode is described in US5578822. In this case, the extraction electrode is located in the space separating the first immersion lens and the second conventional lens. This extraction electrode arrangement increases the amount of electrons striking the detector inside the lens.

Ve všech výše uvedených patentech je extrakční elektroda umístěna alespoň částečně do vývrtu objektivu. Toto uspořádání však představuje překážku pro umístění některých komponent do objektivu, například clony pro práci v nízkém vakuu, a také zmenšuje maximální dosažitelnou velikost zorného pole.In all of the above patents, the extraction electrode is positioned at least partially in the objective bore. However, this arrangement is an obstacle to placing some components in the lens, such as a low vacuum iris, and also reduces the maximum attainable field of view.

Patent EP0769799 popisuje objektiv mající elektrodu jako součást magnetického obvodu. Obsahem patentu je imerzní dvoupólový objektiv s radiální mezerou využívající jednoho z pólových nástavců jako akcelerační trubice pro regulaci energie elektronů dopadajících na vzorek. Současně může elektrické pole vytvořené akcelerační trubicí plnit funkci extrakční elektrody. Nicméně pro zachování funkce akcelerační trubice je nutné přivádět na tuto elektrodu napětí v řádu kilovoltů. Pólový nástavec je dle popsaného řešení elektricky rozdělen na horní pólový nástavec a dolní pólový nástavec, které mohou být vzájemně spojeny přes vrstvu izolantu. Kladné napětí je přivedeno na celý horní pólový nástavec.EP0769799 describes an objective having an electrode as part of a magnetic circuit. The patent discloses an immersive two-pole radial gap objective using one of the pole pieces as an acceleration tube to regulate the energy of electrons incident on the sample. At the same time, the electric field created by the acceleration tube can act as an extraction electrode. However, in order to maintain the function of the acceleration tube, it is necessary to apply a voltage of several kilovolts to this electrode. According to the described solution, the pole piece is electrically divided into a top pole piece and a bottom pole piece, which can be connected to each other via an insulator layer. Positive voltage is applied to the entire upper pole piece.

Oproti tomu patent US6504164 popisuje jednopólovou imerzní objektivovou čočku, kde jediný magnetický pólový nástavec je dále elektricky rozdělen na horní část umístěný dále od vzorku a dolní část blíže ke vzorku. Kladné napětí je přivedeno na dolní část. Tyto části jsou od sebe odděleny izolačním materiálem nebo vzduchovou mezerou. Elektroda však v tomto patentu nemá extrakční funkci, ale má stejný potenciál jako vzorek a vytváří tak homogenní elektrické pole mezi vzorkem a objektivem. V případě patentu US6740888 je jednopólový objektiv elektricky rozdělen na horní a dolní část a tyto části jsou vzájemně odděleny vrstvou feritu. Na dolní část může být přivedeno napětí. Toto napětí však dle popisu vynálezu slouží k vytvoření homogenního pole mezi vzorkem a dolní částí a brzdného pole mezi dolní a horní částí magnetického pólového nástavce.In contrast, US6504164 discloses a single-pole immersion objective lens wherein a single magnetic pole piece is further electrically divided into an upper portion further away from the sample and a lower portion closer to the sample. Positive voltage is applied to the lower part. These parts are separated from each other by an insulating material or an air gap. However, the electrode in this patent does not have an extraction function, but has the same potential as the sample, thus creating a homogeneous electric field between the sample and the objective. In the case of US6740888, a single-pole objective is electrically divided into an upper and a lower portion and these portions are separated from each other by a layer of ferrite. Voltage may be applied to the lower part. This voltage, however, serves to create a homogeneous field between the sample and the lower part and a braking field between the lower and upper parts of the magnetic pole piece.

XX

»»»

-s --s -

V poslední době se stále častěji objevují také zařízení kombinující více svazků nabitých částic. Mohou existovat například zařízení pracující s elektronovým a iontovým svazkem, případně svazkem fotonů sloužících pro opracování nebo pozorování vzorku. Tato kombinovaná zařízení umožňují například sledovat pomocí elektronového mikroskopu postup opracovávání vzorku prostřednictvím iontů nebo fotonů. Při opracovávání vzorku se uvolňuje velké množství sekundárních nabitých částic. Tyto částice mohou působením magnetického pole vytvářeného imerzní objektivovou čočkou pronikat skrze vývrt objektivu do vnitřního prostoru objektivu a následně i na detektor signálních částic a zapříčinit zvýšení šumu detektoru nebo jeho poškození, případně poškození dalších součástí, jako například \θ extrakčních elektrod. Těmto efektům je možno zabránit přivedením napětí na extrakční elektrodu, které působí odpudivou silou na výše zmíněné sekundární nabité částice a omezit tak jejich průnik do objektivu.More recently, devices combining multiple charged particle beams have also been increasingly emerging. For example, there can be electron and ion beam devices or photon beams for processing or observing a sample. These combined devices make it possible, for example, to monitor the processing of a sample by means of an electron microscope by means of ions or photons. A large amount of secondary charged particles are released when processing the sample. These particles can penetrate through the objective bore into the interior of the lens and subsequently to the signal particle detector by the magnetic field generated by the immersion objective lens, causing the detector noise or damage to the detector, or damage to other components such as θ extraction electrodes. These effects can be avoided by applying a voltage to the extraction electrode, which exerts a repulsive force on the aforementioned secondary charged particles, thereby limiting their penetration into the objective.

Další aplikací používanou v zařízeních využívajících svazek nabitých částic je připouštění plynů nebo aerosolů do komory se vzorkem během jeho opracovávání, které V například napomáhají ionizaci nebo odvádějí náboj z povrchu nevodivých vzorků. Vzhledem k tomu, že tlak uvnitř tubusu mikroskopu je zpravidla nižší než tlak uvnitř vakuové pracovní komory, mají tyto částice plynů a aerosolů tendenci pronikat z vakuové pracovní komory do objektivu a dále do tubusu zařízení, kde mohou interagovat například s detektorem nebo extrakční elektrodou a snížit detekční či rozlišovací schopnosti zařízení nebo jej poškodit. Množství částic pronikajících z pracovní komory je možné regulovat pomocí redukční apertury, která snižuje vnitřní průměr vývrtu objektivu. Tu však není zpravidla možné použít v případě, kdy je extrakční elektroda umístěna běžným způsobem uvnitř vývrtu objektivu, a to zejména z důvodu nebezpečí poškození elektrody či z důvodů prostorových. Oproti tomu, pokud je extrakční elektroda umístěna pod objektivem blíže ke vzorku, je možné ji snadno poškodit mechanicky nebo elektrickým výbojem jak bylo popsáno výše. Navíc takto umístěná elektroda zpravidla snižuje rozsah pracovních vzdáleností zařízení. Pokud je extrakční elektroda umístěna výše v objektivu, mezi vývrtem objektivu a zdrojem primárních částic, je pro zachování její účinnosti nutné přivádět na takovou elektrodu řádově vyšší napětí, což může výrazně negativně ovlivňovat trajektorie nabitých částic uvnitř čočky a také překážet umístění V) jiných zařízení, například detektorů, do prostoru objektivové čočky.Another application used in charged particle beam devices is the admission of gases or aerosols into the sample chamber during processing, which, for example, assist ionization or dissipate charge from the surface of non-conductive samples. Since the pressure inside the microscope tube is generally lower than the pressure inside the vacuum working chamber, these gas and aerosol particles tend to penetrate from the vacuum working chamber into the objective and further into the device tube where they can interact with, for example, a detector or extraction electrode and reduce detection or resolution of the device or damage it. The amount of particles penetrating from the working chamber can be controlled by a reduction aperture that reduces the inside diameter of the objective bore. However, this is usually not possible when the extraction electrode is placed in a normal manner inside the objective bore due to the risk of electrode damage or spatial reasons. In contrast, if the extraction electrode is located below the objective closer to the sample, it can be easily damaged by mechanical or electrical discharge as described above. Moreover, such an electrode generally reduces the working distance of the device. If the extraction electrode is placed higher in the lens, between the objective bore and the primary particle source, to maintain its efficiency, it is necessary to apply an order of magnitude higher voltage to that electrode, which can significantly negatively affect the trajectory of charged particles inside the lens. such as detectors, into the lens area.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje objektivová čočka pro zařízení využívající nejméně jednoho svazku nabitých částic obsahující níže popsanou extrakční elektrodu. Tato čočka může být použita samostatně nebo jako součást objektivu majícího více čoček. Svazek nabitých částic, který je produkován primárním zdrojem nabitých částic, je veden tubusem pomocí prostředků pro vedení nabitých částic (například centrovacích cívek či elektrod, rastrovacích cívek, clon a dalších známých prostředků) a je objektivovou čočkou usměrňován na vzorek, který je umístěný ve vakuové pracovní komoře. Po dopadu primárního svazku na yó vzorek může dojít k emisi signálních částic, například sekundárních elektronů, zpětně odražených elektronů nebo sekundárních iontů. Tyto částice mohou být následně detekovány detektorem signálních částic.The above-mentioned drawbacks are overcome by an objective lens for a device using at least one charged particle beam comprising the extraction electrode described below. The lens may be used alone or as part of a lens having multiple lenses. The charged particle beam produced by the primary charged particle source is guided through the tube by means of charged particle guiding means (e.g., centering coils or electrodes, scanning coils, apertures, and other known means) and is directed through the objective lens to a sample placed in a vacuum. working chamber. Signal particles, such as secondary electrons, backscattered electrons, or secondary ions, may be emitted after the primary beam has impacted on the sample. These particles can then be detected by a signal particle detector.

Podstatou nového řešení je rozdělení pólového nástavce objektivové čočky na elektrodovou část pólového nástavce, také nazývanou extrakční elektroda, a na druhou část ''lA ^taK že obě části spolu tvoří z hlediska magnetického obvodu jeden magnetický pólový nástavec a tvoří tedy jeden magnetický celek. Obě zmíněné části mohou být vyrobeny ze stejných nebo různých magneticky měkkých materiálů. Elektrodová část pólového nástavce je uzpůsobena k připojení na zdroj elektrického napětí a je možné na ni přivádět elektrické napětí. Elektrodová část pólového nástavce tvoří alespoň z části vývrt objektivové čočky. Elektrodová část navíc nezmenšuje průměr vývrtu objektivu, a proto lze prostor uvnitř objektivu, a především v okolí vývrtu objektivu neomezeně využít například pro umístění detektoru, vakuové clony nebo dalších pomocných elektrod. Není také negativně ovlivněna velikost maximálního zorného pole.The essence of the novel solution is to divide the pole piece of the objective lens into an electrode portion of the pole piece, also called the extraction electrode, and to a second part 1A ^and K that both parts together form a magnetic pole piece and thus form one magnetic unit. Both parts may be made of the same or different magnetically soft materials. The electrode portion of the pole piece is adapted to be connected to a power supply and can be supplied with power. The electrode portion of the pole piece forms at least a portion of the objective lens bore. Moreover, the electrode portion does not reduce the diameter of the lens bore, and therefore the space inside the lens, and especially around the lens bore, can be used for unrestricted use, for example, to accommodate a detector, vacuum screen or other auxiliary electrodes. Also, the maximum field of view is not adversely affected.

Díky integraci elektrodové části přímo do pólového nástavce může být extrakční napětí 2^ přiváděné na elektrodovou část pólového nástavce řádově nižší (desítky až stovky V), než pokud by byla samostatná extrakční elektroda umístěna dále od vzorku do prostoru uvnitř objektivové čočky nebo ještě blíže ke zdroji primárních částic. Možnosti přivádět nízké napětí na extrakční elektrodu lze také dosáhnout ztenčením materiálu pólového nástavce, který leží mezi extrakční elektrodou a vzorkem. V objektivových čočkách, zejména jednopólového typu, však dochází k vysokým magnetickým tokům a v takto ztenčené vrstvě magnetickéhoBy integrating the electrode portion directly into the pole piece, the extraction voltage 2 'applied to the electrode portion of the pole piece can be orders of magnitude lower (tens to hundreds of V) than if a separate extraction electrode were placed further away from the sample into the space inside the lens or even closer to the source primary particles. The possibility of applying a low voltage to the extraction electrode can also be achieved by thinning the pole piece material between the extraction electrode and the sample. However, in objective lenses, especially of the single-pole type, high magnetic fluxes occur and in this thinner layer of magnetic

# > J » · materiálu může snadno dojít k jeho nežádoucí magnetické saturaci. Integrací elektrodové části z magnetického materiálu do pólového nástavce je dosaženo toho, že dochází k zachování extrakční účinnosti při nízkém napětí přiváděném na elektrodovou část pólového nástavce a současně nedochází k výraznému snížení objemu magnetického materiálu pólového nástavce a riziko přesycení objektivu je tedy nižší.#> J »· The material can easily become undesirably magnetic saturated. By integrating the electrode portion of the magnetic material into the pole piece, the extraction efficiency is maintained at the low voltage applied to the electrode portion of the pole piece, while the volume of the magnetic piece of the pole piece is not significantly reduced and the risk of lens oversaturation is therefore reduced.

Elektrický potenciál elektrodové části pólového nástavce může být regulovatelný tak, aby byl vyšší, nižší či rovný potenciálu na druhé části pólového nástavce nebo potenciálu přivedenému na vzorek. Rozdíl potenciálů lze zvolit podle požadovaného druhu a množství signálních částic, které mají být extrahovány nebo odstíněny.The electrical potential of the electrode portion of the pole piece may be controllable to be higher, less than or equal to the potential on the second part of the pole piece or the potential applied to the sample. The potential difference can be selected according to the desired type and amount of signal particles to be extracted or shielded.

Současně je elektrodová část pólového nástavce umístěna tak, aby nemohlo dojít ke kontaktu se vzorkem či jiným zařízením v komoře. Jinými slovy je elektrodová část pólového nástavce umístěna tak, že vnitřní průměr elektrodové části pólového nástavce je stejný nebo větší než průměr druhé části pólového nástavce a současně je elektrodová část pólového nástavce umístěna dále od vzorku než druhá část pólového nástavce v podélném směru objektivové čočky, která je umístěna blíže ke vzorku, vždy však tak, aby alespoň část elektrodové části byla umístěna v oblasti ohraničené rovinami kolmými na optickou osu v nejvyšším a nejnižším bodě vývrtu objektivu.At the same time, the electrode portion of the pole piece is positioned so that contact with the sample or other device in the chamber cannot occur. In other words, the electrode portion of the pole piece is positioned such that the inner diameter of the electrode portion of the pole piece is equal to or greater than the diameter of the second portion of the pole piece and at the same time the electrode portion of the pole piece is further away from the sample than the second portion of the pole piece. is positioned closer to the sample, but always so that at least a portion of the electrode portion is located in an area bounded by planes perpendicular to the optical axis at the highest and lowest point of the objective bore.

Elektrodová část pólového nástavce může být umístěna buď zcela uvnitř vývrtu objektivu, nebo částečně uvnitř a částečně vně vývrtu objektivu ve směru ke zdroji primárních částicThe electrode portion of the pole piece may be positioned either entirely within the objective bore or partially inside and partially outside the objective bore toward the primary particle source.

Navržená čočka dle předkládaného vynálezu je dále charakterizována tím, že elektrodová část pólového nástavce je od druhé části oddělená vrstvou materiálu s velkou rezistivitou, větší než 10⁶ Q»m při 20 °C nebo větší než ΙΟ¹⁰ Ω·ιη při 20 °C nebo větší než 10¹⁸Ω·πί při 20 °C nebo větší než ΙΟ²⁴ Ω·ηη při 20 °C. Tato vrstva materiálu musí být dostatečně silná, aby nedocházelo k přenosu elektrického náboje mezi elektrodovou a druhou částí pólového nástavce, a dostatečně tenká, aby výrazně neovlivňovala tok magnetického pole materiálem pólového nástavce a následně magnetického pole vytvářeného objektivem. Díky nízkému napětí, které může být menší než 1000 V nebo menší než 500 V nebo menší než 300 V nebo menší než 100 V nebo menší než 50 V, přiváděnému na elektrodovou část magnetického pólového nástavce může být tloušťka vrstvy velmi malá. Tloušťka vrstvy můžeThe proposed lens of the present invention is further characterized in that the electrode portion of the pole piece is separated from the second portion by a layer of high resistivity material, greater than 10 ⁶ Q · m at 20 ° C or greater than ΙΟ ¹⁰ Ω · ιη at 20 ° C or greater than 10 ¹⁸ Ω · πί at 20 ° C or greater than 18 ²⁴ Ω · ηη at 20 ° C. This layer of material must be sufficiently thick to prevent the transfer of electric charge between the electrode and the second portion of the pole piece and thin enough not to significantly affect the flux of the magnetic field through the pole piece material and consequently the magnetic field generated by the lens. Due to the low voltage, which can be less than 1000 V or less than 500 V or less than 300 V or less than 100 V or less than 50 V, applied to the electrode portion of the magnetic pole piece, the layer thickness can be very small. The layer thickness can

být menší než 0,2 mm nebo menší než 0,1 mm nebo menší než 0,06 mm nebo menší než 0,02 mm nebo menší než 0,01 mm tak, aby docházelo pouze k minimální deformaci magnetického pole sloužícího k fokusaci svazku nabitých částic.be less than 0,2 mm or less than 0,1 mm or less than 0,06 mm or less than 0,02 mm or less than 0,01 mm so as to minimize the distortion of the magnetic field used to focus the charged beam of particles.

Přivedením kladného napětí na elektrodovou část pólového nástavce se vytvoří elektrické pole umožňující ovlivňování trajektorií signálních částic. Tímto elektrodová část pólového nástavce usnadňuje extrakci signálních částic ze vzorku a zároveň vytváří elektrostatickou čočku v okolí vývrtu objektivu, která napomáhá směrovat signální částice na detektor umístěný v prostoru objektivu. Napětí přiváděné na elektrodovou část pólového nástavce lze plynule i skokově regulovat. Pomocí velikosti napětí přiváděného na elektrodovou část pólového nástavce lze regulovat množství signálních částic pronikajících do vývrtu objektivu. Přiváděním kladného napětí na elektrodovou část pólového nástavce dojde současně k vytvoření potenciálové bariéry, a tím k omezení průniku nežádoucích kladně nabitých částic do tubusu. Toto řešení umožňuje snížit pracovní vzdálenost při pozorování procesů, při nichž vznikají kladně nabité částice (například při současném opracovávání svazkem iontů nebo fotonů).Applying a positive voltage to the electrode portion of the pole piece generates an electric field allowing influencing the trajectories of the signal particles. In this way, the electrode portion of the pole piece facilitates the extraction of the signal particles from the sample and at the same time creates an electrostatic lens around the objective bore that helps direct the signal particles to a detector located in the lens space. The voltage applied to the electrode part of the pole piece can be infinitely and steplessly controlled. By the amount of voltage applied to the electrode portion of the pole piece, the amount of signal particles penetrating into the objective bore can be controlled. Applying a positive voltage to the electrode portion of the pole piece simultaneously creates a potential barrier, thereby limiting the penetration of unwanted positively charged particles into the tube. This solution makes it possible to reduce the working distance when observing processes where positively charged particles are formed (for example, simultaneously working with an ion or photon beam).

V případě aplikace záporného napětí na elektrodovou část pólového nástavce se vytvoří ve vývrtu objektivu potenciálová bariéra omezující průnik signálních částic se záporným nábojem, čehož lze využít například pro energiovou filtraci signálních elektronů.If a negative voltage is applied to the electrode portion of the pole piece, a potential barrier is formed in the objective bore to limit the penetration of the negative charge signal particles, which can be used, for example, for energy filtering of signal electrons.

Πί < I Τ', í iΠί <I Τ ', i i

2Č PřeMed-obrázků-2Change-Images-

Obrázek 1: Schematický řez objektivovou čočkouFigure 1: Schematic cross-section through an objective lens

Obrázek 2: Schematický řez objektivovou čočkouFigure 2: Schematic section through an objective lens

Obrázek 3: Schematický řez objektivovou čočkouFigure 3: Schematic section through an objective lens

Obrázek 4: Schematický řez detailu příkladů objektivuFigure 4: Schematic section of a detail of lens examples

Obrázek 5: Schematické znázornění zařízení se dvěma svazky nabitých částicFigure 5: Schematic representation of a device with two charged particle beams

Λ •i ·Λ • i ·

Příklady peužttf- 'ay-Kv U a U iExamples of p-a-y-Kv U and U i

Na obrázku 1 je znázorněn schematický řez dvoupólovou objektivovou čočkou 100 s radiální mezerou pro zařízení využívající nejméně jednoho svazku nabitých částic, kde V objektivová čočka 100 zahrnuje rotačně symetrický pólový nástavec 1 umístěný koncentricky s optickou osou 2. Tento pólový nástavec 1 je dále rozdělen na elektrodovou část 3 pólového nástavce 1 a druhou část 4 pólového nástavce 1, které jsou od sebe odděleny vrstvou materiálu s velkou rezistivitou (není zobrazen), například teflonem o tloušťce 50 pm. Elektrodovou částí 3 a druhou částí 4 pólového nástavce 1 protéká magnetické pole buzené 1$ cívkou 5 a současně elektrodová část 3 a druhá část 4 mohou mít rozdílný elektrický potenciál.Figure 1 shows a schematic cross-section of a two-pole radial gap objective lens 100 for a device using at least one charged particle beam, wherein the V objective lens 100 comprises a rotationally symmetrical pole piece 1 positioned concentrically with the optical axis 2. This pole piece 1 is subdivided into an electrode a portion 3 of the pole piece 1 and a second portion 4 of the pole piece 1 which are separated from each other by a layer of high resistivity material (not shown), for example a 50 µm Teflon. The magnetic field excited by the coil 5 flows through the electrode part 3 and the second part 4 of the pole piece 1, and at the same time the electrode part 3 and the second part 4 may have different electrical potential.

Imerzní magnetické pole objektivové čočky 100 fokusuje svazek nabitých částic na vzorek 6. Svazek dopadající na povrch vzorku 6 generuje signální částice, z nichž část tvoří záporně nabité částice 7, například sekundární elektrony. Na elektrodovou část 3 pólového nástavce 1 je přivedeno kladné napětí VI, například o velikosti 50 až 200 V, které působí přitažlivou silou na záporně nabité částice 7 v magnetickém poli a přitahuje je do vývrtu 8 objektivu objektivové čočky 100 a napomáhá jejich směrování na detektor 9 sekundárních částic. Naopak částice 10 s kladným nábojem, například kladně nabité ionty, jsou elektrickým polem odpuzovány a je omezen jejich průnik do objektivové čočky 100. Elektrické pole je vytvářeno napětím na elektrodové části 3 pólového nástavce 1, umístěného koncentricky s optickou osou 2 objektivové čočky 100.The immersion magnetic field of the objective lens 100 focuses the charged particle beam onto the sample 6. The beam incident on the sample surface 6 generates signal particles, some of which are negatively charged particles 7, such as secondary electrons. The electrode part 3 of the pole piece 1 is supplied with a positive voltage VI, for example 50 to 200 V, which exerts an attractive force on the negatively charged particles 7 in the magnetic field and attracts them to the objective bore 8 of the objective lens 100 and aids secondary particles. Conversely, positive charge particles 10, such as positively charged ions, are repelled by the electric field and their penetration into the objective lens 100 is limited. The electric field is generated by voltage on the electrode portion 3 of the pole piece 1 disposed concentrically with the optical axis 2 of the objective lens 100.

Obrázek 2 zobrazuje řez dalšího z možných uspořádání objektivové čočky 100 dle vynálezu s odlišným umístěním detektoru 9 signálních částic a napětím V2 přivedeným na vzorek 6. Detektor 9 signálních částic je umístěn v objektivové čočce 100 ze strany skrz otvor v pólovém nástavci 1. Na vzorek 6 může být přivedeno napětí sloužící pro zpomalení dopadajících primárních částic a urychlení či zpomalení signálních částic 7 a 10. Vhodně zvoleným napětím V2 přiváděným na vzorek 6 a napětím VI přiváděným na elektrodovou část 3 pólového nástavce 1 je možné regulovat množství a povahu signálních částic 7 pronikajících do objektivové čočky 100.Figure 2 shows a cross-section of another possible objective lens arrangement 100 according to the invention with a different location of the signal particle detector 9 and the voltage V2 applied to the sample 6. The signal particle detector 9 is located in the objective lens 100 from the side through the aperture in the pole piece 1. a voltage may be applied to slow the incident primary particles and accelerate or slow the signal particles 7 and 10. By suitably selecting the voltage V2 applied to the sample 6 and the voltage VI applied to the electrode portion 3 of the pole piece 1, it is possible to regulate the amount and nature of the signal particles 7 100 ALIGN!

Obrázek 3 zobrazuje řez dalšího z možných uspořádání dvoupólové objektivovéFigure 3 shows a cross-section of another possible dual-pole objective arrangement

3^) čočky W0 s axiální mezerou mezi pólovými nástavci. Vzorek 6 a druhá část 4 magnetického ·3) lenses W0 with an axial gap between the pole pieces. Sample 6 and second part 4 magnetic

• · · · pólu 1 jsou uzemněny a napětí V2 je přivedeno na elektrodovou část 3 pólového nástavce 1.The pole 1 is grounded and the voltage V2 is applied to the electrode part 3 of the pole piece 1.

V případě tohoto druhu čočky nedochází k vytvoření silného imerzního magnetického pole a napětí V2 přivedené na elektrodovou část 3 magnetického pólu 1 je tak nezbytné pro přivedení signálních elektronů na detektor 9. Na obrázku 4a a 4b jsou zobrazeny příklady umístění elektrodové částí 3 pólového nástavce 1 objektivové čočky 100. Elektrodová část 3 a druhá část 4 jsou vzájemně odděleny vrstvou 11 s vysokou rezistivitou. Integrace elektrodové části 3 do pólového nástavce 1 umožňuje zachovat účinnost extrakce signálních částic 7 a 10 při aplikaci relativně nízkého napětí na elektrodovou část 3 a díky zachování objemu pólového nástavce 1 umožňuje zabránit jeho přesycení protékajícím magnetickým polem. Obrázek 4a zobrazuje elektrodovou část 3 pólového nástavce 1 ohraničenou vývrtem objektivu 8 a umístěnou koncentricky s optickou osou 2. Druhá část 4 pólového nástavce 1 je uzpůsobena k instalaci elektrodové části pomocí odnímatelné části 17 druhé části 4 pólového nástavce 1. Nejkratší vzdálenost elektrodové části 3 pólového nástavce 1 od optické osy 2 je stejná jako nejkratší vzdálenost druhé části 4 pólového nástavce 1 od optické osy 2 a současně ® nejkratší vzdálenost elektrodové části 3 pólového nástavce 1 od vzorku 6 je větší než nejkratší vzdálenost druhé části 4 pólového nástavce 1 od vzorku 6. Obrázek 4b zobrazuje elektrodovou část 3 pólového nástavce 1 částečně ohraničenou vývrtem objektivu 8, přičemž nejkratší vzdálenost elektrodové části 3 pólového nástavce 1 od optické osy 2 je stejná jako nejkratší vzdálenost druhé části 4 pólového nástavce 1 od optické osy 2 a současně nejkratší vzdálenost ty elektrodové části 3 pólového nástavce 1 od vzorku 6 je větší než nejkratší vzdálenost druhé části 4 pólového nástavce 1 od vzorku 6.This type of lens does not produce a strong immersion magnetic field and the voltage V2 applied to the electrode portion 3 of the magnetic pole 1 is thus necessary to apply the signal electrons to the detector 9. Figs. 4a and 4b show examples of the positioning of the electrode portion 3 The electrode portion 3 and the second portion 4 are separated from each other by the high resistivity layer 11. The integration of the electrode part 3 into the pole piece 1 makes it possible to maintain the extraction efficiency of the signal particles 7 and 10 when applying a relatively low voltage to the electrode part 3 and, by maintaining the volume of the pole piece 1, prevents it from overflowing through the magnetic field. Figure 4a shows the electrode portion 3 of the pole piece 1 bounded by the objective bore 8 and positioned concentrically with the optical axis 2. The second portion 4 of the pole piece 1 is adapted to install the electrode part by the removable part 17 of the second part 4 of the pole piece 1. and the shortest distance of the electrode portion 3 of the pole piece 1 from the sample 6 is greater than the shortest distance of the second portion 4 of the pole piece 1 from the sample 6. Figure 4b shows the electrode portion 3 of the pole piece 1 partially enclosed by the objective bore 8, wherein the shortest distance of the electrode portion 3 of the pole piece 1 from the optical axis 2 is equal to the shortest distance of the second portion 4 of the pole piece 1 from the optical axis 2; at the same time, the shortest distance t1 of the electrode portion 3 of the pole piece 1 from the sample 6 is greater than the shortest distance the second portion 4 of the pole piece 1 from the sample 6.

Na obrázku 5 je zobrazeno zařízení skládající se z iontového tubusu 12 a elektronového tubusu 13 využívajících svazku 15 iontů a svazku 16 elektronů. Iontový tubus 12 i elektronový tubus 13 jsou umístěny na stejné vakuové pracovní komoře 14, kde iontový svazek 15 a elektronový svazek 16 primárních nabitých částic dopadají na stejný vzorek 6. Při interakci primárního iontového svazku 15 se vzorkem 6 dochází k odstraňování materiálu z povrchu vzorku 6 a vzniká množství signálních částic, například kladně nabitých iontů 10. Primární elektronový svazek 16 slouží k zobrazování vzorku 6. Elektronový svazek 16 po nárazu na vzorek emituje ze vzorku záporně nabité částice 7, například sekundární elektrony, které jsou pomocí magnetického pole objektivové čočky 100 a elektrodové části 3 pólového nástavce 1, na kterou je přivedeno kladné napětí, směrovány do vývrtu objektivu 8 a jsou detekovány té pomocí detektoru 9 zobrazeného na obrázku 1 či 2 v elektronovém tubusu 13. Naopak částice s kladným nábojem, například kladně nabité ionty, jsou od vývrtů objektivu 8 odpuzovány.Figure 5 shows a device consisting of an ion tube 12 and an electron tube 13 using an ion beam 15 and an electron beam 16. Both the ion tube 12 and the electron tube 13 are located in the same vacuum working chamber 14, where the ion beam 15 and the electron beam 16 of the primary charged particles impinge on the same sample 6. When the primary ion beam 15 interacts with the sample 6 The primary electron beam 16 serves to display the sample 6. The electron beam 16, upon impacting the sample, emits negatively charged particles 7, such as secondary electrons, which are by means of the magnetic field of the objective lens 100 and the electrode portions 3 of the pole piece 1 to which the positive voltage is applied are directed into the bore of the objective 8 and are detected by the detector 9 shown in Figure 1 or 2 in the electron tube 13. Conversely, the positive charge particles, for example positively charged ions, bore holes Art effect 8 repelled.

Vynález není omezen pouze na příklady uspořádání elektrodové části 3 a druhé části 4 pólového nástavce 1, ale průměrnému odborníkovi v oboru mohou být zřejmé i další možné kombinace a použití objektivových čoček 100 s elektrodou částí 3 a druhou částí 4 pólového nástavce 1 s alespoň jedním detektorem 9 a stejně tak možnost využití objektivové čočky 100 v kombinaci s jinými zařízeními sloužícími pro pozorování nebo opracování vzorku 6, při kterých mohou vznikat nabité částice 7 a 10.The invention is not limited to examples of arrangement of the electrode portion 3 and the second portion 4 of the pole piece 1, but other possible combinations and uses of the objective lens 100 with the electrode portion 3 and the second portion 4 of the pole piece 1 with at least one detector may be apparent to those of ordinary skill in the art. 9 as well as the possibility of using the objective lens 100 in combination with other devices for observing or processing the sample 6, in which charged particles 7 and 10 may be formed.

· « · »· «·»

» 9 «»9«

J t »J t »

* «3 »* «2»

9» »9 »»

» «»»« »

99

VZTAHOVÉ ZNAČKYRELATED BRANDS

100- Objektivová čočka100- Lens lens

1- Pólový nástavec1- Pole extension

2- Optická osa2- Optical axis

3- Elektrodová část pólového nástavce3- Electrode portion of the pole piece

4- Druhá část pólového nástavce4- The second part of the pole piece

5- Cívka5- Coil

6- Vzorek6- Sample

7- Záporně nabité částice7- Negatively charged particles

8- Vývrt objektivu8- Lens bore

9- Detektor signálních částic9- Signal particle detector

10- Kladně nabité částice10- Positively charged particles

11- Rezistivní vrstva11- Resistive layer

12- Iontový tubus12- Ion tube

13- Elektronový tubus13- Electron tube

14- Pracovní komora14- Working chamber

15- Iontový svazek15- Ion beam

16- Elektronový svazek16- Electron beam

17- Odnímatelná část pólového nástavce17- Removable pole piece

Claims

PATENT CLAIMS

An objective lens for a device using at least one charged particle beam comprising at least one pole piece (1), a coil (5), a lens lens bore (8) (100) and a signal particle detector (91), characterized in that at least one pole the objective lens (100) * consists of an electrode portion (3) of the pole piece (1) adapted to be connected to a power source and a second portion (4) of the pole piece (1) which together form a single magnetic unit, the electrode portion (3) of the pole piece (1) electrically insulated from the second portion (4) of the pole piece (1) and ΐφ further comprising the electrode portion (3) of the pole piece (1) forming at least a portion of the bore (8) of the objective lens (100) wherein the electrode portion (3) of the pole piece (1) is positioned further away from the sample (6) than the second portion (4) of the pole piece (1) in the longitudinal direction of the objective lens (100).

An objective lens for a device using at least one charged particle beam according to claim 1, characterized in that the electrode portion (3) of the pole piece (1) and the second portion (4) of the pole piece (1) are separated by a resistive layer (11). the electrical resistivity is greater than 10 ⁶ 0 »m at 20 ° C.

3. An objective lens for a device using at least one charged particle beam according to claim 1, wherein the potential difference of the electrode portion (3) and the second portion (4) of the pole piece (1) is greater than or equal to 0 V and less than 500. IN.

The objective lens for a device using at least one charged particle beam according to claim 1 or 2, characterized in that the potential difference of the electrode portion (3) and the second portion (4) of the pole piece (1) is greater than or equal to 500 V and less than or equal to 1000 V.

An objective lens for a device using at least one charged particle beam according to any one of the preceding claims, characterized in that the inner diameter of the objective bore (8) in a plane perpendicular to the optical axis (2) at the electrode portion (3) of the pole piece (1). ) is equal to or greater than the inside diameter of the objective bore (8) in a plane perpendicular to the optical axis (2) at the level of the second portion (4) of the pole piece (1).

»D> *

An objective lens for a device using at least one charged particle beam according to any one of the preceding claims, characterized in that the second portion (4) of the pole piece (1) also comprises removable portions (17) of the second portion (4) of the pole piece (1) .

An objective lens for a device using at least one charged particle beam according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one charged particle beam is an ion beam (15) and / or an electron beam (16).