多束电子光学系统的研究现状与发展.pdf

第 卷 第 期 年 月电 子 显 微 学 报 ，文章编号：（）多束电子光学系统的研究现状与发展张利新，赵伟霞，陈代谢，张雨露，刘俊标，韩 立，（中国科学院电工研究所，微纳加工技术与智能电气设备研究部，北京；中国科学院大学，电子电气与通信工程学院，北京；中国科学院条件保障与财务局，北京）摘 要 本文对多束电子光学系统的国内外研究现状进行了详细调研，总结了各个系统的特点以及应用领域。多束电子光学系统在生命科学领域、材料领域以及半导体领域具有广泛的应用价值，本文指出了我国需要开展这方面研究的必要性。同时，本文介绍了国内在多束电子光学领域的研究进展。关键词 电子光学；多束电子光学；高通量；扫描电子显微镜中图分类号：；文献标识码：收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（）；中国科学院科研仪器设备研制项目（）；中国科学院特别研究助理资助项目作者简介：张利新（），男（汉族），辽宁人，助理研究员：通讯作者：韩立（），男（汉族），甘肃人，研究员：刘俊标（），男（汉族），福建人，研究员：扫描电子显微镜（）自 年问世以来，已经有近 年的历史，分辨率从最初的 提高到了现在的亚纳米量级，应用领域从最初的显微成像扩展到电子束检测、四维成像以及原位检测等，是显微成像领域不可替代的重要工具之一。随着 的发展，提高成像速度已成为一个重要发展方向。提升高分辨成像速度存在着提高分辨率和增加单束束流的矛盾，即分辨率越高，越难以获得高束流。这主要是成像速度和单个像素的亮度成反比，束流高可以保证短的驻留时间。在一些实际应用中，需要在保证高分辨能力前提下缩短成像时间，提高设备的通量（），即单位时间内能够形成高分辨图像的数量。例如，对一个 的小鼠大脑进行 结构重建，以 的横向分辨率，每一个视野停留时间 ，则总的成像时间约 天（这里没有考虑样品准备和其他附加时间等）。在保证分辨率不变的情况下，如果能把通量提高 倍，上面例子的成像时间可以缩短到 天，那么通量提高 或者更多倍时，将会大大提高这些设备的工作效率。因此，在保证分辨率不变的情况下，如何提高 整体设备的通量是重要的研究方向之一。而多束电子光学系统是提高通量的一个重要途径。如果在一个 系统中获得几十到几百束电子束并保持与单束 相当的束斑质量，的通量将随之被提高几十到几百倍。这是目前提高通量的可行方案之一。早在 年，和 论证了多束电子光学光刻技术的可行性，并给出了相应的解决方案。目前多束 主要有四种多束电子光学结构形式，如图 所示。第一种结构形式如图 所示，将多个电子源小型化并紧凑排列，再由单独的镜筒对每个子束进行独立控制，称之为多源多镜筒。此种形式的优点是不受库仑作用力和交叉斑的影响，分辨率会更高。缺点是子束之间的间距比较大，限制其多束的数目。此外，电子源之间很难做到发射一致、子束之间的控制很难精确同步。第二种结构形式如图 所示，电子束由多电子源发射，通过单个镜筒同时聚焦多束电子束，称之为多源单镜筒。子束在样品平面上的间距比第一种形式的小，可达到几微米。缺点是在系统中存在库仑作用力和交叉斑，分束越多，像差越大。此外，电子源的亮度、能散、稳定性和寿命等特性很难保证一致，对于保证各个子束之间的一致性具有一定的挑战性。目前还没有可靠的多源系统出现。第三种结构形式如图 所示，单源多镜筒设计方案，此种方式主要解决了第二种方式中多个 第 期张利新等：多束电子光学系统的研究现状与发展 图 多束电子光学系统结构形式。发射源发射特性无法保持一致性难题，同时也没有库仑作用力和交叉斑的影响。但对于准直透镜和控制子束的单镜筒的设计要求非常高，相应电子光学设计也更复杂。第四种结构形式如图 所示，这种方式只有一个发射源和一个镜筒，称之为单源单镜筒，与传统 结构形式相同。一个均匀发射的束流被分束板分成若干子束，一般在几十到几百束。优点是可以利用现有 进行改造，无需重新设计整体结构，是一种容易实现的多束结构形式。但也存在交叉斑、库仑作用力影响等。因此，需要合理设计准直透镜和阵列孔透镜来降低离轴像差的影响。图 蔡司多束 示意图；实物图（图片来自 官网）。；（）国内外研究现状 目前国际上已经有基于多束电子束的成像系统产品或者概念设计出现。年，德国蔡司公司（）发布了 多束成像系统（如图 所示），此系统属于单源单镜筒形式，分别有 束和 束电子束两种配置，其多束电子束成六边形排列，以便有效控制离轴像差。该系统单束电流最大 ，采用二次电子直接探测成像方式，分辨率最大可达 ，是目前世界上成像速度最快的，束同时成像，每天可获得 数据量，现已应用在很多生物样品成像中。电子显微学报 第 卷此外，年蔡司公司报道了包含 束电子束 的研究工作，预计将成像效率提高了三倍之多。荷兰代尔夫特理工大学（）从 年初开始开发单源单镜筒多束电子光学系统，。至 年，基于 平台 成功获得了 图 多束 系统示意图。束高质量多束电子束，示意图如图 所示。该系统的单束束流 ，分辨率达到了 ，并通过电子束诱导沉积实验验证了多束光斑的稳定性。但该系统也存在一些问题，如边缘处的电子束消失等。基于此系统，也在进行多束成像和曝光系统的研制，以及多束成像探测系统。年，主要研究人员成立了 公司，发布了第一款型号为 的扫描透射显微系统（如图 所示）。此系统包括 束电子束，单束束流 ，空间分辨率达到了。与蔡司产品成像方式不同的是该系统采用透射电子成像，样品放在荧光屏上表面，探测器置于荧光屏下，通过收集电子照射在荧光屏上产生的荧光进行成像。这是目前市场仅有的两款商品级多束电子显微成像系统。图 公司的 实物图（图片来自 官网）。（）另外，国际上还有一些公司和研究团队以高速电子束曝光为目标，开发了多束电子光学系统。其中奥地利 ，和日本的日立（）针对电子束光刻用途开发了多束电子光柱体，并均采用单源单镜筒的方式，示意图分别如图 和图 所示，测试分辨率分别达到了 和 。其中 公司的设计包含了 束电子束，的设计包含了 束电子束。年，荷兰 公司，采用单源多镜筒的多束结构形式验证了获得 束的可行性，并随后设计了可获得 个子束的样机，且每个子束再分束成 束并可分别独立控制。年，公司发布了一种用于无掩膜高通量电子束曝光的反射式电子束曝光（）技术，该设计可实现单独控制 个子束，未来还可以根据需要提高电子束数量，结构示意图如图 所示。该系统创新地采用了磁棱镜和数字模式发生器（）进行电子束的分束和开关控制，并配合旋转平台实现高通量曝光。后续又对设计进行了第二次升级改进，主要的改变是将磁棱镜替换为 过滤器，这不仅缩小了结构尺寸，而且提高了光刻精度，最小线宽达到了 ，目标为了实现 及以下节点的高通量电子束曝 第 期张利新等：多束电子光学系统的研究现状与发展 图 多束光刻系统示意图。图 多束光刻系统示意图。光技术。年后，日本东京大学所开展的基于多源单镜筒的多束电子光学系统研究中采用单晶硅阵列形式做多电子源，具体如图 所示。现在他们正在研制可以获得 束的样机，并预计未来可获得 束，且可以通过整体控制多源的供给电压来实现场曲和像差的校正。综上所述，多束电子光学系统设计大部分采用了单源单镜筒的结构形式，但细节上存在差异（具体性能参数如表 所示）。目前用来成像的多束系图 反射式光刻系统示意图。统，的设计分辨率最高，与当前的 性能接近；而 的多束系统成像速度最快。在光刻方面，和 分辨率相近，但 多束系统的分束数目远大于 多束系统的分束数目。在国内，关于电子束分束技术的研究还未见报道，该技术已经落后于欧美日等发达国家。在科技竞争日益激烈的今天，开展多束相关技术研究迫在眉睫。电子显微学报 第 卷表 不同多束电子光学系统的性能参数 ，多束形式单源单镜筒单源单镜筒单源单镜筒单源单镜筒单源多镜筒单源单镜筒多源单镜筒发射源肖特基肖特基热发射钡钨阴极热发射钽单晶硅加速电压 以上准直透镜有无有有有无无分束数目（）每束电流 总束流 （）亮度（）能散 期望束斑直径 实测束斑直径 束斑间距（样品面）图 日本东京大学多源单镜筒系统示意图。多束电子光学系统国内研究进展 年，中国科学院电工所率先启动了多束电子光学系统研究项目，针对电子束分束技术进行了预研，总体设计方案如图 所示。图中虚线框标出了电子束分束系统的微结构组件，包括准直透镜、分束板、阵列静电透镜、阵列束闸等。该系统采用 热场发射电子枪，设计目标是在一定的吸出极电压下，获得亮度高、角束流密度分布均匀的电子束，使得分束后的子束束流大小和一致性满足需求。准直透镜综合考虑离轴像差对电子束进行准直，并与 微器件共同决定子束的有效束半角，使得该束半角对应的电子束束流、束斑、束流密度一致性满足要求。电子枪的轨迹仿真图如图 所示，热场发射阴极发射的电子束图 多束电子束分束系统示意图。经过准直透镜准直，在一定的参数设定下保证分束区域的电子束束流密度分布均匀，如图 所示。获得准直均匀电子束后再经过分束板分束。目前完成的 分束板如图 所示，正面小孔与背面大孔侧壁质量较好，个别孔边缘不够均匀，加工工艺还有继续优化的空间。基于此分束板进行了电子束分束测试，结果如图 所示，束斑之间的均匀性良好。分束板在照射 小时后，分束束斑大小基本不变。本次实验可证明分束板的加工和质量基本满足设计要求。第 期张利新等：多束电子光学系统的研究现状与发展 图 平行束电子枪中的电子束轨迹。图 分束区域内电子束束流密度分束情况。多孔多层静电透镜的装配是多束电子光学系统的一项难点和重点。针对装配误差的要求，对三种误差进行了分析计算，包括偏移、倾斜角和圆度三种误差，示意图如图 所示。三种误差主要对电子束的聚焦产生偏转和像差，扩大实际聚焦束斑，如图 所示。分析中针对三种误差和一定的束斑直径，给出了需要达到的装配和加工误差上限。预设整个电子光学系统的缩小倍率为 倍，如果容许 束斑的增加，对于 的束斑，可接受的最大的偏移、倾斜角和圆度误差分别为 ，和 ；对于 的束斑，可接受的最大的偏移、倾斜角和圆度误差分别为 ，和 。本工作采用先分别打孔再装配的方案。为了保证装配的精确性，专门研制一套多孔多层透镜装配系统，对电子束分束板、阵列静电透镜进行装配，装配效果正在做进一步验证。电子显微学报 第 卷图 分束板加工后的 图像。，正面小孔；对准标记；背面大孔。，；图 电子束分束测试结果。经过图像处理后的束斑分布，小图为原图；沿图 中红色虚线处的束斑强度分布。，；（）讨论和结论 在当今的科学技术发展中，高精尖科学仪器的发展占有重要地位，尤其在生命科学领域、材料领域和半导体领域，借助超显微仪器有了长足进步。多束电子束技术在多领域已经得到了广泛应用，对科学的发展起到了促进的作用。面对国际竞争环境以及国内在此领域的空白现状，我国加大开发具有自主知识产权的多束电子束设备，具有重要的科学和战略意义。目前，国外在多束电子光学领域的发展已超过 年，最近五年内才发布了相关的多束电子束成像系统。而多束电子束检测和多束电子束光刻系统多应用在工业领域，鲜有公开文献报道。此外，多 第 期张利新等：多束电子光学系统的研究现状与发展 图 单透镜不对称误差示意图。偏移误差；倾斜角误差；圆度误差。；图 有或无误差时的高斯聚焦光斑。无误差；偏移误差；倾斜角误差；圆度误差。；束电子束技术主要基于除了传统的电子显微镜制造技术外，还依靠成熟的 制造技术。当前我国在半导体领域正在加快布局和稳步发展，众多科研单位都在大力建设自己的超净间加工平台，制造和加工能力逐步提升。因此，现在是国内开发多束电子光学系统的最佳时机，有望在短时间内，追赶欧美日等发达国家的相关技术，支撑我国在未来相关领域的有力竞争地位。电工所在多束电子光学技术方面做了初步探索研究，已经完成了分束板的工艺设计及其制造，已经获得了 多束电子束并测试了其分布情况；根据多孔多层静电透镜结构设计分析了装配误差上限并研制了一台装配误差 的多孔多层静电透镜装配系统。参考文献：，：，电子显微学报 第 卷，（）：周建力，任潇一，张宜旭，等 基于扫描电镜原位高温疲劳测试方法研究 电子显微学报，（）：唐亮，石慧峰，马晋遥，等 扫描电子显微镜原位可变温度电化学测试装置 电子显微学报，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，第 期张利新等：多束电子光学系统的研究现状与发展 ，：，（）：，：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，：，：，：，（）：，：，：，：，（，；，；，），；