CN112349571B - 射频腔及在带电粒子显微镜中使用的设备和系统 - Google Patents

Abstract

本文公开了射频（RF）腔和包含此类RF腔的系统。所述RF腔特征在于具有插入件，所述插入件的至少一个侧壁被涂覆有材料以防止电荷累积而不影响RF输入功率且是热和真空兼容的。一个实例RF腔包含：电介质插入件，所述电介质插入件具有从所述电介质插入件的一侧延伸到另一侧的开口以形成通孔；以及涂层，所述涂层安置于所述电介质插入件的内表面上，所述内表面面向所述通孔，其中所述涂层具有厚度和电阻率，所述厚度小于厚度阈值，且所述电阻率大于电阻率阈值，其中所述厚度和电阻率阈值部分地基于所述RF腔的操作参数。

Description

射频腔及在带电粒子显微镜中使用的设备和系统

技术领域

本申请案大体上是针对射频腔，且更具体来说是针对射频腔中的涂层。

背景技术

带电粒子显微镜通常为被供能的发射器提供连续带电粒子射束。虽然连续射束在大多数应用中工作良好，但时变射束在其它应用中将是有益的，例如在成像的同时激发样本的时间相依测量。然而，时变带电粒子射束较难以生成。一个已知方法是使用光学泵送发射器，其仅当光能正辐射源极时才发射带电粒子。虽然此技术通常仅在脉冲模式中使用，但连续带电粒子射束是可能的，但在操作中带有不希望的缺陷。尽管专用脉冲系统对一些应用有用，但期望具有可提供脉冲带电粒子射束和连续带电粒子射束两者的带电粒子显微镜。

发明内容

本文公开了射频（RF）腔和包含此类RF腔的系统。所述RF腔特征在于具有插入件，所述插入件的至少一个侧壁被涂覆有材料以防止电荷累积而不影响RF输入功率且是热和真空兼容的。一个实例RF腔包含：电介质插入件，所述电介质插入件具有从所述电介质插入件的一侧延伸到另一侧的开口以形成通孔；以及涂层，所述涂层安置于所述电介质插入件的内表面上，所述内表面面向所述通孔，其中所述涂层具有厚度和电阻率，所述厚度小于厚度阈值，且所述电阻率大于电阻率阈值，其中所述厚度和电阻率阈值部分地基于所述RF腔的操作参数。

另一实例设备包含：外部壳体，所述外部壳体具有内部腔，在所述内部腔的顶部和底部上具有开口；插入件，其安置于所述外部壳体的所述内部腔内，所述插入件具有延伸一直通过所述外部壳体的顶部和底部上的开口且与所述开口对准的通孔；以及涂层，其安置于所述插入件的面向所述通孔的表面上，所述涂层具有小于厚度阈值的厚度和小于电导率阈值的电导率，其中所述涂层防止所述插入件上的电荷累积。

实例系统至少包含：发射器，其被耦合以沿着光学路径发射电子射束；一组或多组光学器件，其沿着所述光学路径布置；以及RF腔，其包含所述光学路径的一部分，所述RF腔包括：电介质插入件，所述电介质插入件具有从所述电介质插入件的一侧延伸到另一侧的开口以形成通孔：以及涂层，其安置于所述电介质插入件的内表面上，所述内表面面向所述通孔，其中所述涂层具有厚度和电阻率，所述厚度小于厚度阈值，且所述电阻率大于电阻率阈值，其中所述厚度和电阻率阈值是部分地基于所述RF腔的操作参数。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的实例带电粒子显微镜。

图2A、2B和2C是根据本公开的实施例的RF腔的实例图示。

图3是根据本公开的实施例的RF腔的侧壁的实例图示。

贯穿附图的若干视图，相似的附图标记指代对应的部分。

具体实施方式

下文在带电粒子显微镜的上下文中描述本发明的实施例，其中启用射频腔来选通带电粒子射束。举例来说，透射式电子显微镜中包含射频腔以使得可以选通电子束，使得用电子束脉冲串而不是连续电子束照射样本。然而，应理解，本文所描述的方法大体上适用于广泛范围的不同带电粒子显微镜。

除非上下文另外明确规定，否则如本说明书和权利要求书中所用，单数形式“一（a/an）”和“所述”包含复数形式。另外，术语“包含”意指“包括”。此外，术语“耦合”不排除耦合项之间存在中间元件。

在本文中所描述的系统、装置和方法不应解释为以任何方式进行限制。相反，本公开涉及各个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特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法及设备也不要求存在任何一个或多个特定优点或者要求解决问题。任何操作理论都是为了便于解释，但是本公开的系统、方法和设备不限于此类操作理论。

尽管为了方便呈现，以特定的、顺序的顺序描述了所公开的方法中的一些的操作，但是应理解，此描述方式涵盖重新布置，除非下文阐述的具体语言需要特定的顺序。例如，按顺序描述的操作在一些情况下可以被重新布置或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和设备可以与其它系统、方法和设备结合使用的各种方式。另外，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。与这些术语相对应的实际操作将取决于特定实施方式而变化，并且易于由本领域普通技术人员辨别。

在一些实例中，数值、程序或设备被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应了解，这类描述旨在指示可以在许多所使用的功能替代方案中进行选择，并且这类选择不需要比其它选择更好、更小或者另外更优选。

上文描述的问题的一个解决方案是在带电粒子显微镜内包含射频（RF）腔。RF腔可以用于通过一个或多个RF驻波和经过的带电粒子射束的交互而生成脉冲带电粒子射束。在一些实施例中，RF腔可以包含输入和输出孔口，其允许带电粒子射束在内部横穿RF腔，使得电荷粒子束与在腔内建立的RF波交互。在其它实施例中，作为由于RF驻波和带电粒子射束在孔口处的交互而产生脉冲的地方，“斩波孔口”被布置成远离实际RF腔。然而，在任一实施例中，孔口、RF驻波和带电粒子射束的空间和时间交互形成带电粒子射束脉冲。在此技术中，RF波将有效地移动带电粒子射束越过输出孔口，使得生成带电粒子的脉冲串，其随后被朝向样本引导。

先前，例如在第9,048,060号美国专利中已描述带电粒子显微镜中作为射束斩波器的双模RF腔，所述美国专利为了所有目的并入本文中。如所述参考中论述，RF腔可以包含电介质插入件，其中所述插入件可以用导电材料膜涂覆，以预防或减少电介质插入件上的电荷累积。虽然此观察在表面上看似直接，但此想法的实施需要的努力多于预期。

从涂层材料将需要满足极特定要求的认识带来额外努力。通常，涂层材料需要充分导电以防止电荷累积，但不应影响RF腔的谐振，也不应生成实质功率损耗。为了防止对RF腔的谐振的影响，涂层的厚度应当足够薄以使得RF功率通过而不会造成许多的反射和/或吸收，且应当足够薄以使得不会不利地影响RF腔的谐振。为了满足此要求，需要涂层的厚度小于趋肤深度，其中RF腔的操作参数连同材料的电阻一起决定了趋肤深度。虽然厚度合意地比趋肤深度薄得多，但材料的电导率/电阻率也将影响可允许的厚度。

关于功率耗散要求，需要涂层材料生成相对于输入RF功率可忽略的功率耗散。举例来说，期望等于输入功率的10%的最大功率耗散，但更少的功率耗散将更好。功率耗散还由涂层材料特性、厚度和RF腔的操作参数决定。如果满足要求，那么应当维持RF腔的质量因子。

虽然关于材料的决定似乎不重要，但事实并非如此。举例来说，导电和半导电材料将阻止电荷的累积，但其高电导率导致无法根据粗糙表面所需的程度来制造的极薄层。举例来说，铜层将需要比1.2 µm（在3GHz频率下的趋肤深度）小得多以满足厚度要求。然而，即使可制造10 nm铜层，例如50 kW的相关联功率耗散也不满足功率耗散要求。在此实例中，铜层的功率耗散可能是输入功率的全部或大部分，这是很不合意的。半导体材料并不满足要求，即使它们可以允许在比铜低的功率耗散下的较厚层。

大体来说，已确定涂层需要具有高电阻/低电导率，其允许在RF腔操作参数下具有最小功率损耗的具有可制造厚度的层。另外，需要材料承受高温环境（例如至多1000 °C），在制造中是均质/连续的，且与高度真空环境兼容，例如无除气。一个解决方案是非晶硅（a-Si），其具有大于60 GΩ的电阻，允许至多500 nm（且可能更厚）的厚度，同时提供可忽略的功率耗散，例如数微瓦的功率耗散。虽然其它材料也可以满足要求，例如碳化硅和氧化锌，但本公开出于说明的目的将集中于a-Si。

图1是根据本公开的实施例的实例带电粒子显微镜100。带电粒子显微镜（CPM）100包含射频（RF）腔，带电粒子射束通过所述射频腔以用于动态地选通带电粒子射束的预期目的，以生成用于照射样本的带电粒子射束脉冲流。虽然公开了选通带电粒子射束，但当需要时可以停用RF腔，使得改为将连续带电粒子射束提供到样本。在一些实施例中，CPM 100是透射式电子显微镜（TEM），但CPM的类型不是限制性的。在其它实施例中，CPM 100可以是扫描电子显微镜（SEM）、扫描透射式电子显微镜（STEM）、包含SEM和聚焦离子束（FIB）的双射束显微镜，或类似物。

图1中所示出的简化CPM 100包含发射器102、一个或多个准直仪透镜104A和104B、射束界定孔口（BDA）106、RF腔108、物镜110A和110B、样品架112、一个或多个投影透镜114A和114B，以及检测器116。本领域技术人员理解在CPM 100中可以实施额外或更少组件，且示出的组件仅仅是TEM中通常可以实施的实例。

发射器102提供带电粒子射束118，其在横穿其它组件的光学路径上向下指向CPM100，结束于检测器116上。准直仪透镜104A、B将带电粒子射束118调节和聚焦到所需位置/平面上，例如样品架112位于的平面。物镜110A、B另外将带电粒子射束118聚焦到样品架位置上，并且进一步在带电粒子射束118从样本出来时对其进行调节。在带电粒子射束118从样本出来之后，例如，在横穿样本之后，投影透镜114A、B调节出射的带电粒子射束118用于由检测器116检测。检测器116基于带电粒子射束118的带电粒子与样本的交互检测样本的图像。

通常，各种透镜104、110和114可以是静电的、电磁的，或其组合。另外，发射器102可以是任何类型的发射器，例如热离子、冷场发射及类似物。在大多数实施例中，发射器102提供电子，但离子发射器也是可能的且在本公开的界限内。检测器116可以是直接电子检测器或基于微通道板的检测器，如此项技术中已知。

RF腔108包含一直延伸通过腔的通孔，使得带电粒子射束118可沿着光学路径通过且继续横穿CPM 100。RF腔108可以是使得能够建立一个或多个驻波（例如，模式）的任何所需的形状，例如圆形、椭圆形、正方形、矩形及类似形状。大体来说，希望RF腔108的尺寸是基于一个或多个所需操作频率，使得在所述一个或多个所需操作频率下建立谐振腔。取决于在RF腔108内希望建立的模式的数目，将包含相关联数目的发射器-天线对。RF腔108将包含被设计成建立所需模式的外部腔室，和电介质插入件。电介质插入件（在下文进一步详细论述）还将包含延伸穿过其的通孔，用于带电粒子射束118的通过。因此，电介质插入件将被布置于RF腔108内部以涵盖带电粒子射束光轴。

如所提到，可以使RF腔108能够选通带电粒子射束118，使得带电粒子射束脉冲串从RF腔发射，其中脉冲间隔由RF腔108的操作频率决定，且脉冲宽度/持续时间由RF腔108的输入功率、质量因子和频率的组合决定。此RF腔在第9,048,060 B2号美国专利中进一步描述，所述美国专利由本申请人拥有且为了所有目的并入本文中。除简单地形成选通带电粒子射束外，RF腔108可以用于包含条纹相机的系统中，所述相机允许时间分辨的带电粒子显微法。大体来说，希望RF腔108不会由于经过的带电粒子射束118而在电介质插入件上累积电荷。电荷的累积致使经过的带电粒子射束118漂移而不对准，这可能减少或阻止带电粒子射束118沿着光学路径继续或从RF腔108退出。

为了减少或消除电介质插入件上的电荷累积，希望至少在面对通孔的侧壁上用导电但高电阻性材料涂覆插入件。希望此材料的厚度将不影响腔的谐振，并且还不耗散实质RF功率。举例来说，所述厚度可以小于在RF操作参数下的趋肤深度且功率耗散最小，例如，RF输入功率的10%或更小。此外，也可以希望涂层材料与高度真空环境（例如，几乎没有除气）兼容且耐高温。在一些实施例中，所需厚度可以比计算的趋肤深度小得多，这在期望连续层的情况下可能是制造问题。给定此类要求，与高电阻/低电导率真空兼容的材料是合意的。导电材料和半导体由于分别不可制造和/或过高的确定厚度和功率耗散而不提供所需结果。

然而，一个解决方案是非晶硅（a-Si）。非晶硅具有高电阻/低电导率，这允许具有可忽略的功率耗散的较厚的更可制造的层。注意，趋肤深度与电阻率（ρ）具有平方根关系，且功率耗散与电导率（σ）具有线性关系，其中σ=1/ρ。另外，a-Si满足其它要求，例如高温兼容、高真空兼容，且薄、连续且均质的层容易使用例如化学气相沉积来制造。因此，由a-Si形成的涂层防止插入件的侧壁上的电荷累积，且具有允许生成最小功率耗散的相对厚层的电阻/电导率特性。

图2A至2C是根据本公开的实施例的RF腔206的实例图示。RF腔206可实施于CPM系统中，例如CPM 100，用于使用在RF腔206内生成的一个或多个RF驻波使带电粒子射束偏转。使带电粒子射束偏转导致脉冲带电粒子射束作为延伸穿过RF腔206的孔口的输出。脉冲带电粒子射束可以例如允许样本的时间分辨探测。

RF腔206包含外部壳体220、插入件222、一个或多个导体224A、224B以及涂层228。外部壳体220可以是任何所需形状，例如圆形、椭圆形、正方形及类似形状，且形成相似几何形状的腔234。另外，外部壳体220包含顶部表面232（和底部表面，未图示）中的开口230，其延伸穿过整个高度和外部壳体220的腔234。在图2A中示出的实施例中，外部壳体220具有高度h和内径d1，其中开口/通孔具有直径r。在一些实施例中，RF腔206具有至少部分地由内径d2决定的谐振。

插入件222可以位于外部壳体220的中心且可以具有配合于腔234内的高度，且具有小于外部壳体220的d1的直径d2。另外，插入件222还具有延伸穿过插入件222的高度的开口/通孔。通常，插入件222中的通孔与外部壳体220中的顶部和底部开口对准，使得带电粒子射束可通过RF腔206。插入件222可以由电介质形成，例如ZrTi04，但也可实施其它电介质材料。

可以被替代地称作天线的所述一个或多个导体224 A、B可以允许在RF腔206内部形成RF驻波。所述两个或更多个导体224 A、B可以由任何导体形成，例如铜、银、金、铂等，且耦合到一个或多个RF功率源（未示出）以用于生成所需驻波。虽然RF腔206仅示出一对天线，但在其它实施例中，可以包含四个导体用于形成两个驻波。在此类实施例中，可以包含第二对天线，使得额外驻波与第一驻波成直角。

涂层228可至少形成于插入件222的内表面226上。通常，包含涂层228以减轻或防止由于经过的带电粒子射束而在插入件222上累积电荷。然而，如上所述，希望包含涂层228不会影响RF腔206的谐振且由于涂层228带来的任何RF功率耗散最小。为了防止谐振的改变，涂层228可以合意地小于趋肤深度。趋肤深度基于RF腔操作参数而确定，例如3 GHz操作频率。关于功率耗散，涂层228的功率耗散可以合意地是输入功率的10%或更小。虽然涂层228材料的各种特性影响趋肤深度和功率耗散，但至少一个特性会影响选定材料的电导率/电阻率。

在电导率/电阻率方面，趋肤深度取决于电阻率的平方根，而功率耗散与电导率具有线性关系。如果电导率是电阻率的简单倒数，那么随着电导率减小和电阻率增加，趋肤深度增加且功率耗散减小。此关系随后用以确定用于涂层228的材料。在一些实施例中，厚度应当小于厚度阈值且电阻率应当大于电阻率阈值（电导率小于电导率阈值）。这些阈值只要得到满足就确保满足涂层228的要求，即，厚度和功率耗散要求。

应注意，涂层228所需的两个主要特性是可制造的趋肤深度和可忽略/最小的功率耗散。可制造的意味着连续、均质且可再生的层可以沉积于具有约1到2微米的均方根（rms）粗糙度的表面上。另外，涂层228的所需厚度比在RF操作参数下的趋肤深度小得多，其中小得多指代所计算的趋肤深度的10%或更小。期望功率耗散关于输入RF功率是可忽略的，且指输入功率的10%或更小。在阈值方面，厚度阈值至多是趋肤深度，但可以小于趋肤深度，且电阻率/电导率阈值可以基于电导率和厚度阈值的乘积或基于输入RF功率的10%而确定。举例来说，如果为了制造原因采取10 nm作为最小可行涂层厚度，那么用于涂层228的材料将需要具有电阻率 ρ>5x10^-2Ωcm（但优选高得多）。一般来说，电导率/电阻率阈值可以基于反计算针对给定几何形状且在输入功率的10%下的厚度而确定，而厚度阈值是基于趋肤深度。

另外，期望用于涂层228的材料满足其它要求，例如耐高温和真空兼容。为了满足耐温性要求，材料在例如600到1000 °C的高温下不应改变、熔融或升华。且为了满足真空兼容要求，材料在高度真空下不应除气。

满足所有以上要求的一个材料是非晶硅。已发现非晶硅是高电阻性的，大于60 GΩ（ρ>5x10³Ω · m）。在此电阻/电导率下，趋肤深度是0.65 µm，这允许至多500 nm的层厚度。500 nm的层生成9 µW的功率耗散，其对于1 W或更多的输入功率显然是可忽略的。非晶硅由于其高温和高度真空兼容性也容易满足温度和真空兼容性要求。

图3是根据本公开的实施例的侧壁326的实例说明。示出的侧壁326是RF腔206的侧壁226的一个实例。侧壁226包含插入件322和涂层328。涂层328的厚度可取决于基于RF腔的工作参数的材料的趋肤深度。举例来说，厚度可以是100到500 nm，但应当足够厚以提供插入件322的侧壁326上的连续层。

本文所讨论以示出所公开的技术的实施例不应该被认为是限制性的，且仅提供实施方式的实例。本领域技术人员将理解可以如何实现所公开的技术的其它无数方式，这些方式在本文中考虑并且在本公开的范围内。

Claims (13)

1.一种射频(RF)腔，其包括：

电介质插入件，所述电介质插入件具有从所述电介质插入件的一侧延伸到另一侧的开口以形成通孔用于带电粒子射束通过；以及

涂层，其安置于所述电介质插入件的内表面上，所述内表面面向所述通孔，其中所述涂层是非晶硅用于减轻或防止由于经过的带电粒子射束而在插入件上累积电荷。

2.根据权利要求1所述的射频(RF)腔，其中所述涂层的厚度小于在3GHz的RF操作频率下的趋肤深度。

3.根据权利要求2所述的射频(RF)腔，其中所述涂层的厚度小于0.65微米。

4.根据权利要求1所述的射频(RF)腔，其中所述涂层的厚度为500纳米。

5.根据权利要求1所述的射频(RF)腔，还包含外部壳体，所述外部壳体包含通孔，所述通孔一直延伸通过并对准所述插入件的所述通孔。

6.一种用于在带电粒子显微镜中使用的设备，其包括：

外部壳体，所述外部壳体具有内部腔，在所述内部腔的顶部和底部上具有开口；

插入件，其安置于所述外部壳体的所述内部腔内，所述插入件具有一直延伸通过所述外部壳体的所述顶部和底部上的所述开口且与所述开口对准的通孔用于带电粒子射束通过；以及

涂层，其安置于所述插入件的面向所述通孔的表面上，所述涂层由非晶硅形成，其中所述涂层减轻或防止由于经过的带电粒子射束而在所述插入件上的电荷累积。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述涂层的厚度小于所述涂层的趋肤深度，所述趋肤深度是基于所述涂层的一个或多个材料性质且基于所述设备的为3GHz的操作参数。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述涂层的厚度小于0.65微米。

9.根据权利要求6所述的设备，其中所述涂层的厚度为500纳米。

10.根据权利要求6所述的设备，其中所述涂层是100到500nm厚。

11.一种用于在带电粒子显微镜中使用的系统，其包括：

发射器，其被耦合以沿着光学路径发射电子射束；

一组或多组光学器件，其沿着所述光学路径布置；以及

RF腔，其包含所述光学路径的一部分，所述RF腔包括：

电介质插入件，所述电介质插入件具有从所述电介质插入件的一侧延伸到另一侧的开口以形成通孔用于带电粒子射束通过；以及

涂层，其安置于所述电介质插入件的内表面上，所述内表面面向所述通孔，其中所述涂层由非晶硅形成用于减轻或防止由于经过的带电粒子射束而在电介质插入件上累积电荷。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述涂层的厚度小于所述涂层的趋肤深度，所述趋肤深度是基于所述涂层的材料的电阻率和所述RF腔的操作参数。

13.根据权利要求11所述的系统，还包含外部壳体，所述外部壳体包含通孔，所述通孔一直延伸通过并对准所述插入件的所述通孔。