这是年的一篇文章，感觉时间好久远啊。但是又刚刚好，有用。

摘要

电子束设备的最新发展引起了越来越复杂的电子光学(EO)设计。到目前为止，这些设计都是使用钻孔、车削等标准车间技术实现的。由于需要更复杂的设计来推动电子光学的发展，本文主要介绍了利用MEMS制造技术来制造EO部件的可能性。这就导致了电子光学设计中不同的设计规则。可以利用MEMS制造的一个优势，即在严格的规格内大规模制造相同和可靠的部件。本文介绍了应用于多束电子源的一个设计，该技术可以应用于标准扫描电子显微镜的电子源，它可以产生个电子束而不是一个。该设计是为了使每束电子束的束斑大小和束流的性能与单束源的电子束性能相当，大约为1nm和25pA。此外，由于针对纳米光刻的目的而改造了SEM，因此要有必要的电子束的控制工作，即打开和关闭每个单独的光束。为此，在电子源单元中集成了一个电子束闸Blanker电极阵列。

1、简介

在过去的几十年里，微加工技术，如光刻、蚀刻和沉积，正如它们在微电子制造中所使用的那样，已经在它们被开发的原始领域之外使用。这些技术被应用于更多的专业领域，在这些领域中，微加工技术具有制造大量具有精确规格的微米级的可靠部件的优势。这些部件在微电子机械系统中主要起着机械部件的作用，因此用于微加工技术的这种应用的术语是MEMS。

参考：

MEMS全称MicroElectromechanicalSystem，微机电系统。是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、动作器（执行器）和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器等以及它们的集成产品。

概括起来，MEMS具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面：

1．理论基础：在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（ScalingEffects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。2.技术基础研究：主要包括微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配与封装、集成技术、微测量等技术基础研究。

3.微机械在各学科领域的应用研究。

除了MEMS的纯机械应用外，人们可以联想到在许多MEMS的应用领域，微米级的部件可以改变系统的设计方式，从而对可用的应用类型产生巨大影响。带电粒子光学就是这样的一个领域，在这个领域中，机械学并没有发挥任何作用。

在带电粒子光学系统中，可以操纵电子或离子的运动轨迹，从而形成图像。这些图像可以是电子显微镜下的图像，也可以是光刻机中抗蚀剂层（resistlayer）中的图像。一些众所周知的系统是扫描电子显微镜（SEM）、电子束图案发生器（EBPG：electronbeampatterngenerator）和聚焦离子束系统（FIB）。一般来说，这种系统最重要的部分是电子源、准直电子光学器件、聚光镜光学器件、投影光学器件和一套或多套扫描线圈或显影板。由于制造过程中一直存在缺陷，因此需要一组或多组称为消像散器的补偿电子光学组件。到目前为止，所有这些部件都是使用标准的机械车间技术制造的，如钻孔、铣削和车削。然而，随着越来越复杂的电子光学设计的出现，用机械车间方法实现这些设计变得越来越困难和昂贵。

在本文中，会重点讨论了MEMS电子光学器件在电子源中的应用，作者对电镜的改造如下：想让电子源产生道电子束，而不是一束电子。这意味着必须在电子源后面制作一个高质量的准直多透镜，而制作这个部件所需要的复杂性和精确性从根本上是超出了标准的车间加工技术，因为该改造后要求每一束电子束都能被聚焦到与单束电子束相同的约1纳米大小的束斑上。事实证明，这对要制作的零件的尺寸公差提出了严峻的要求，但目前的MEMS技术提供了一个解决方案。作者的目标与文献中给出的MEMS电子光学的探索不同，要求每个电子束斑必须是一纳米，而不是几十纳米。

目前考虑的这种改造的应用是将电子束诱导沉积（EBID：electronbeaminduceddeposition）的速度提高倍，从而使EBID可能成为生产1纳米范围内结构的可行工具。

2.电子光学设计的考虑因素（ElectronOpticalDesignConsiderations）

本文中的多束源是基于一台标准SEM（FEINova-NanoSEM）作为的基本改造平台的。这个系统配备的电子镜筒，能够将电子投射到一个大约1纳米的束斑中。在这个系统中，我们用我们的MEMS多束源（MBS：multibeamsource）取代了电子源部分。为了达到实验的目的，目标上的每个电子点的尺寸必须和单电子束版本一样小，即在1纳米左右。

图1给出了多束电子光学系统的示意图。

图1.SEM中最重要修改部分的示意图。

MBS的设计是这样的，新的束源在平面上投射出一组电子束阵列，而通常传统的电子源在SEM镜筒的发射端口处只投射出一束电子束。在图1中，这就是标有"MBS"和"SEMColumn"的方框之间的区域。特别是，对于阵列的中心电子束来说，根本就没有任何变化。然而，对于离轴电子束，需要进行更彻底的电子光学的分析。实验发现，为了最大限度地减少失真和畸变，子束波(Beamlet)的轴被要求必须通过镜筒的最终透镜中心的。为此，在MBS单元中包括了一个场镜（fieldlens）。

在多束源单元中，通过一些组件将来自肖特基电子发射源的宽光束分成个子束。这个部分的构成是由一个限束孔径光阑阵列和一个电子光学透镜阵列组成的。此外，在MBS单元中必须有一个规定，即对每一道子射束进行blanking控制。所有的部件都必须装在一个不超过10厘米的空间里，否则镜筒的机械稳定性就会恶化，并因振动而降低分辨率。有限的尺寸是使MBS小型化的原因之一。另一个重要的原因是在缩小电子光学元件的尺寸方面的优势。在保持射束能量和电极电位的之间比例不变的情况下，缩小整个设计的规模可以减少射束的像差。这对于实现在目标上形成1纳米束斑阵列的目标至关重要。

上述两个原因导致需要使用与MEMS中使用的制造技术相同的制造技术来生产MBS单元，因为使用传统铣削技术几乎不可能制造具有所需尺寸规格的MBS组件。

MBS的原理如下图2所描述。电子从标准肖特基发射体尖端发射出来，通过拔出电极。极板1和2分别作为第一准直器透镜和屏蔽电极发挥作用。到目前为止，没有使用MEMS元件。3号元件是实际的透镜阵列，目前使用的是光阑透镜原理。在图2b中，解释了光阑透镜的工作原理。电场的不均匀性导致了透镜效应，无论是在微透镜阵列的表面还是在电极4。3号元件是我们需要以非常严格的规格制作的部分。板上的孔径必须是大约um的直径，而且必须是圆的，误差在1%以内。孔与孔的之间直径变化必须在2％以内。再往下是电极4，作为一个负静电透镜。最后，透镜阵列与限束孔径光阑阵列和偏转器阵列组合在一起。整个堆栈1至4的高度约为10毫米，直径为20毫米。

图2a：MBS模块示意图。图2b：场的不均匀性导致透镜效应。

3.部件的制作(Fabricationoftheparts)

如第二节所述，对MBS的公差要求最严格的部件是透镜阵列（LA）、限束孔径光阑（CLA）和偏转器阵列（DA）的组合。在图3中，显示了带有不同功能部件的最终组件的示意图。我们的方法是分别开发每个阵列的工艺，然后将这些工艺结合起来，使CLA/DA/LA组合成为一个单一的组件。

在这个组合部件中，偏转器阵列和透镜阵列必须在同一个硅片上制造。因此，透镜阵列必须有可以放置偏转器的表面区域。这些是透镜阵列中的突起，图3中的箭头表示了一个突起。

图3.LA/DA/CLA组件最终组装示意图。

在随后过程中，透镜阵列工艺与偏转器阵列工艺相结合，两者都使用同一个硅片。

由于偏转器阵列必须被屏蔽在入射光束之外，以防止其充电，在整个结构的顶部，我们需要安装一个束流限制阵列。这个阵列也将由硅制成，表面涂有钼，以防止污染的积累。在透镜阵列/反射器阵列上的限束流阵列的安装将通过晶圆粘接完成。请注意，请注意，图3相对于图4是颠倒的。

图4.制造带有偏转器支架的透镜阵列的工艺步骤。

如图4所描述的过程产生了一个定义明确的孔径透镜孔的阵列。结果显示在图5中。在图5b中，显示了该阵列中一个透镜的放大图。

图5a：透镜阵列的SEM图像。图5b：一个小透镜的放大图。

请注意，阵列非常均匀，阵列中的孔的圆度符合EO计算的要求，圆度偏差在1%以内。还需要注意的，在图5b中，小透镜的侧壁有一些粗糙度。这是由于边缘效应造成的，但这些误差并没有严重影响小透镜的光学特性。

此外，还制作了用于偏转器阵列的第一个版本的布线。第一种类型特别适合于测试相邻电子束之间的串扰。在图6示例中，还没有进行透镜的背面蚀刻。连接到图6a中箭头所示引线的偏转器保持不执行偏转，而所有其他周围的偏转器都被加以激励。这个设计是为了测试目前的设计是否在偏转器之间没有任何明显的串扰。

图6a：偏转器阵列概述。图6b：一个偏转器的方法图。电子束通过偏转器的位置由黑色圆圈表示。

最后，有组件的整个堆栈被组装起来。在写这篇文章的时候，透镜阵列与束流限制阵列的组合已被测试。图7中显示了这些部件的堆叠。

图7.第一个使用电子源进行测试的MBS原型堆栈。

在中心，可以看到的小圆孔是图2的4号元件，在那个孔中可以看到微透镜的方形阵列，图2的3号元件。

4.实验结果

如图7所示的堆栈被放置在一个超高真空装置中，用一个标准的肖特基电子源从背面进行照明。在堆栈的顶部，放置了一个荧光屏（flu.screen）。当这个屏幕被来自电子束的子束轰击时，它就会局部发亮。这样，电子束的位置就可以被可视化了。

图8.一系列的荧光屏图像，展示了微透镜的聚焦情况。

当图2的元件3和4上没有被施加电压时，在荧光屏上可以看到孔径阵列的阴影图像。现在，为了启用微透镜，在元件3和4之间施加一个电位。从图2可以看出，现在微透镜和负透镜同时被启用。这对荧光屏产生了以下影响：由于微透镜的正透镜效应，单个束斑的尺寸会减少。这是正微透镜的聚焦。然而，由于4号元件的负透镜效应，当电子束被聚焦时会分开。这就是负透镜的退焦效应。在图8a-d中，可以看到事件的顺序。

五、结论与展望

本文中的结果表明，使用MEMS技术制造高质量的电子光学元件是非常有可能的。已经证明了微透镜阵列的聚焦效果。我们看到子束阵列的负透镜作用，但请注意，对于单个子束，静电场的总效应仍然是正透镜效应，因为每个子束都聚焦在荧光屏上。

该项目的下一步是将偏转器阵列和透镜阵列组合在一个过程中。一旦这个组件完成，它将在SEM系统中实现，以制造第一个具有多个1nm光束的多束电子光刻工具。

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