多束电子光学系统的研究现状与发展.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
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