在申请人先前的名称为“粒子束发生器”的国际专利申请WO2003/107375中， 描述了一种适用于微型电子(或离子)束发生器，尤其适用于SEM的设计，其能够 在低能量下(小至300eV)聚焦从纳米尖端发出的电子(或离子)下至原子尺度。 在SEM情况下，粒子束聚焦到其上的衬底是待检测的样品，但粒子束的其它用途， 与样品反应、被样品反射或被样品吸收等方式也被上述发明和本发明所预期。
先前设计基于两个基本原理。第一，设备的总尺寸和焦距被减小到微米级(典 型地小于20微米)，第二，通过在接近场发射产生电子(或离子)的纳米尖端处 施加强电场来防止从纳米尖端产生的电子扩张超过约100nm直径。
因此，该显微镜通过直接成像在纳米尖端上的发射位置(离子或电子)工作 而不同于常规的大规模显微镜，其由于像差而需要更高的电压且即使这样它仅能 达到成像系统中孔隙的分辨率(通过电子/离子源照明)。
图1示出了现有技术设置的一个实施方式，其为被绝缘材料(灰色阴影)2 分隔的电极(黑色实体)3A-D的微米尺度设置，两者都有对齐的孔隙用于提供 穿过整个装配体的通道。要指出的是在这种设置中不同组成层的外径可能不同于 由直线AB定义的所有外径都相同。本质上，这是一个具有穿过其中的孔的多层 薄膜，该孔定义出显微镜的轴并且通过它使电子束4加速、聚焦在显微镜后的点 5，从最末端的电极到达焦点的距离典型地是约5微米。当提取电极3A与纳米尖 端的电压足够时，电子从纳米尖端1发射，典型地纳米尖端电压约-320伏(V1) 且提取电极3A电压为-300伏(V2)以产生320eV电子束。电子束穿过上述孔并 在朝第二电极方向被加速，这是因为第二电极电压为0V(V3)，由此在具有长度 为“a”典型地小于3微米的第一绝缘部形成一强电场。电子束也被入口透镜聚 焦后在ACC部形成一狭窄电子束，该电子束直径典型地小于100nm并进入MEZL 部，该MEZL部是一个微型Einzel单透镜(microscale Einzel lens)，典型地其 具有300nm的孔隙且电极厚度u约为300nm、v约为400nm。绝缘部分的厚度b 和c按照电子束所需的总能量变化，但典型地对于300eV电子束它们小于3微米。 在这种设置的情况下，外层两个电极的电压V3和V5的电压为0，同时对于300eV 电子束，中间电极电压V4可以(典型地)从-300变化至+300伏，改变这个电 压当然能够改变电子束焦点的位置。
这种设置的一个主要优势是入口的聚焦效果取决于电子束的总能量V1，这 是因为电场的强度仅是V2-V3＝V1+20伏。这表明不是在全部能量下的同样的射 束都能分散或集中进入微型Einzel单透镜，因此该设置仅适用于特定能量
由于在许多应用中均需要在不同能量下进行研究，因此，本发明的一个目的 就是提供一种能够供给不同能量的发射电子/离子束的微型SEM，而不需要显著 地改变射束的焦距或更改相对标准的Einzel单透镜结构(Einzel lens structure)。

根据本发明的一方面，提供一个粒子束发生器，包括：粒子提取装置，其置 于与粒子源相邻，并且可操作的从该源提取粒子至提取装置的孔隙中以形成粒子 束；粒子加速装置，其可操作地用于加速所提取的粒子以增加射束的能量；聚焦 装置，其可操作地用于聚焦粒子束，上述提取装置、加速装置和聚焦装置顺次排 列并具有穿过其中的孔隙，成一直线以限定一个约束粒子移动的通道，特征在于 提取装置包括一种至少包含有至少一对被绝缘材料层分隔的电极的透镜结构，允 许施加不同电压于每个该透镜结构的电极上，包含提取板的一个上述电极中形成 有提取孔隙，提取板放置于依靠粒子源和提取板之间不同电压将粒子从粒子源中 提取出并穿过提取孔隙的位置。
靠近粒子源具有多重电极的提取装置不仅使提取出的进入并穿过提取装置 的孔隙的粒子随后传送到该设备的加速装置，并且能在相对短的提取装置中产生 一些聚焦效应和不同射束能量，这是因为可以施加不同电压到所述提取装置的每 个不同的电极。
最优选地，聚焦装置是一种Einzel单透镜结构，其总长度在1到10μm的范围内。
优选地，提取装置是一种纳米尺度的Einzel单透镜结构(NEZL)，其总长度 不大于500nm，更优选不大于200nm，因此，该粒子束生成器作为整体由两个 Einzel单透镜结构组成，一个在设备的前面且另一个在后面，两个都能够提供 对于粒子束不同的控制程度。
优选地，该提取装置由两个电极组成，可替换地，该提取装置由三个电极组成。
在可选择的实施方式中，粒子束生成器包括一具有提取孔隙的更标准的提取 板，置于充分靠近粒子源，一个纳米尺度的Einzel单透镜结构直接地置于上述 提取板后以便直接作用于从粒子源提取出的粒子。
根据本发明的另一方面，提供一种粒子束生成器，包括：粒子提取装置，其 置于与粒子源相邻，并且可操作的从该源提取粒子至提取装置的孔隙中以形成粒 子束；粒子加速装置，其可操作地用于加速所提取的粒子以增加射束的能量；聚 焦装置，其可操作地用于聚焦粒子束，每个所述提取装置、加速装置和初级聚焦 装置顺次排列并具有穿过其中的孔隙，成一直线以限定一个约束粒子移动的通 道，特征在于该粒子束发生器进一步包括一二级聚焦装置，离初级聚焦装置的末 端远远地放置以使初级和二级聚焦装置本质上分离，其平均孔隙尺寸大于初级聚 焦装置的平均孔隙尺寸。
优选地，该二级聚焦装置与所述初级聚焦装置共轴排列，通过例如纳米定位 技术使两个聚焦装置间的共轴性达到在10nm之内，更优选在1nm之内。
在一个优选设置中，二级聚焦装置的第一电极被提供为具有刀刃状开口的孔 隙，其有效地校准到达这里的粒子束并具有比所述孔隙更大的直径。
优选地，在本发明的其它发面，粒子被从使用纳米尖端的冷场发射源提取出 来，这种设置已经在R.H.Fowler和L.Nordheim，Proc.Roy.Soc.，A119(1928) 173中描述过，但在一最优选设置中，纳米尖端涂覆绝缘组合物和半导体组合物， 两者厚度均在纳米尺度内用于增加纳米尖端的输出电子电流和减小从那里发射 的粒子束的能量扩展度。优选地，通过施加负电压于金属纳米尖端同时将半导体 接地而施加一穿过绝缘层的电压。
优选地，最简单的纳米尖端多层结构由一个被半导体覆盖的单一的绝缘层形 成于(金属)纳米尖端组成，调整电压使金属的费米能级一致或接近半导体能带 隙的上部。该电压也可调整至开始产生越过势垒的共振电子隧穿，并因此能在保 持窄的电子能量扩展度的情况下进一步增加输出电流。优选地，绝缘层和半导体 的厚度都各自在0.2nm到20nm的范围内。
在一个可选配置中，上述提及的优选的简单的两层结构被一包含金属纳米尖 端、绝缘层和形成于其上的半导体层的、具有穿过各个绝缘层的不同电压的多层 体系所取代。这样的目的是更有效地通过量子隧穿输送电子到外层半导体层的导 带，在这里当施加一个强电场到尖端时，电子可以发射进入真空。优选地，沉积 层的厚度为0.5到20nm。
在一个优选设置中，纳米尖端(或粒子源)后紧接着一纳米尺寸的孔隙和一 强电场加速部。理想地，施加电压于该纳米尖端(或粒子源)时电子从尖端发射， 穿过该孔隙并被该强电场加速。
在某些实施方式中，粒子源与该孔隙间的距离在约5nm到约500nm的范围内， 优选约50nm。在某些实施方式中，这个距离是与孔隙的直径可比的，因此，如 果孔隙的尺寸增大，则粒子源与孔隙间的距离也相应地增大。
优选地，电场的强度能够使电子束直径在沿加速部的长度方向上几乎不变且 小于孔隙的直径。
如此，能够获得一个几乎没有像差的源，且因而保持了纳米尖端固有的场发 射特性。
在一个优选设置中，粒子源是一个通过聚焦离子束(FIB)研磨的纳米尖端， 由此减小发射电子的尖端区域。
孔隙可以是锥形的或者以产生透镜效应方式改变而进一步约束射束的扩张。 圆锥形的孔隙可以用来减少电子的散射。
最优选地，纳米尖端包含一个原子尺度或基本上是原子尺度的纳米棱锥或类 似的稳定电子发射结构。该结构可以是通常的纳米尖端的自由末端，通常的纳米 尖端可以是钨纳米尖端。
纳米棱锥或类似的稳定电子发射结构已被文献所描述(例如H.-S.Kuo et al，Jap.J.Appl.Phys.45(11)(2006)，8972页；C.Schlossler et al.，J.Vac.Sci. Technol.B15(4)(1997)，1535页；A.B.H.Tay和J.T.Thong Rev.Sci.Instr. 75(10)(2004)3248页；和S.Minzuno J.Vac.Sci.Technol.B19(5)(2001)1874)。
Tay和Thong(参见上面提及的段落)描述了一种从钴丝形成的纳米尖端， 该尖端能生成机化电子，用于表面的磁性测试。
上面描述的纳米棱锥或类似结构可以从金、铂、铱或它们的组合物制得，这 些金属尤其有利是因为污染物可以通过加热去除，加热到相对低的温度已足够去 除污染物，且允许形成有用的纳米尺度电子源。其它材料和其组合物也是可用的。
在本发明的实施方式中尤其使用金纳米尖端，至少部分原因是使用金形成纳 米棱锥的形成温度低于使用铂或铱来形成纳米棱锥。
优选地，电极由金属形成。优选地，该金属是一种不与氧气或其它气体反应 生成金属氧化物或任何其它能在其中存储或以其它方式在其上支持电荷的污染 物的金属。优选地该金属能够在超高真空(UHV)条件下适度加热时免于被吸附 气体和/或其它污染物污染。
这些特性的优势在于在一个或多个电极上的电荷积累被减少或实际上被消 除，其次一个或多个电极的聚焦和导向效应实际上不会被一个或多个电极上存在 的电荷所危害。
金属优选为金、铂、铱或其混合物，其它金属也是可用的。
纳米尖端(也可以称作“超尖端”)设置为引进到尖端环境的电离的气态种类物。
可替代的或另外的，纳米尖端被设置为生成离子，在某些实施方式中这通过 向尖端供给固态或液态种类物实现。例如，一种液态金属如液态镓可以被供给到 尖端，液态种类物通过毛细作用从库中供给。
使用中尖端可以被设置为从贮存于库中的液体的表面突出。该库具有一个用 于加热的装置以保持贮存于库中的种类物为液态。
生成器可设置为形成一包括由纳米尖端生成的离子的粒子束。因此，生成器 可以设置成形成一包括由供给到纳米尖端的离子化的液态镓或其它合适的材料 生成的离子的粒子束。
遍及本说明书的描述及权利要求书，词“包括”和“包含”及这些词的变异， 例如“包含于”和“包含有”都表示“包括但不局限于”，且不想要(也不)排 除其它部分、添加剂、成分、整体或步骤。
遍及本说明书的描述及权利要求书，单数包含复数的情况除非上下文有另外 的需要。特别的，使用不确定用语处，说明书应理解为考虑复数也考虑单数，除 非上下文有另外的需要。
描述一个特定方面的特征、整体、特性、化合物、化学组分或组时，本发明 的实施方式或示例应理解为可适用于其它方面，除非此处描述的实施方式或示例 与另一处是矛盾的。
附图说明
为了更好的理解本发明并显示其如何实施，参考下列附图的示例，其中：
图1是根据现有技术配置的一种粒子束生成器的示意图；
图2A是本发明的第一方面的粒子束生成器的示意图和图2B是由多层结构形 成的该显微镜的截面图；
图3是本发明第二方面的粒子束生成器的示意图；
图3B是本发明的显微镜的示意图；
图3C示出了更详细展示了穿过图3B的显微镜的电子轨迹的包络线；
图4A和B显示了未涂覆和涂覆的纳米探针被极大地放大的理想化几何形状；
图5和6a、b、c分别示意地表示了从纳米尖端获得粒子的提取器以及纳米 尖端几何形状；
图6d示出了随着第一加速板和纳米尖端间电压的不同，射束点直径的变化；
图7是用于实现特定用途扫描电子显微镜的示意图；
图8a、b、c是图7中扫描电子显微镜测量散射电子强度和能量的示意图， 一同示出了反射电子的能量强度；
图9a、9b分别是提高扫描电子显微镜分辨率的方法的示意图和不同探测器 的反射电子典型信号的示意图像；
图10是图7所示扫描电子显微镜用于研究材料晶体结构的示意图；
图11显示了按本发明的一个实施方式的显微镜；
图12显示了图11的实施方式的截面图；
图13显示了按照本发明的一个实施方式的显微镜的透视图；和
图14是一对原子般锐利棱锥纳米尖端的平面图。

首先参考图2，其示出了一种粒子束生成器20包括一纳米尺度的Einzel单透 镜结构NEZL，加速装置ACC和一标准的Einzel单透镜结构MEZL。如图2所示NEZL 部紧邻粒子源或纳米尖端1设置，该NEZL部典型地具有小于200nm的总厚度以使 射束不能明显扩张，在每个电极中的孔隙典型地是约50nm，并且当对于电极具有 相似厚度t3理想地在10-60nm之间绝缘体t1和t2的厚度是50nm时，电压V7可 以在-50到+50伏的范围内调整，改变电压V7可改变随后进入该设备的加速和微 型Einzel单透镜(MEZL)部的射束的发散或收敛，并因此可以约束射出粒子束在 不考虑整体粒子能量下具有相同的性能。在本发明的某些实施方式中没有包含该 NEZL透镜。
该设置的一种变化是仅使用一个单一的额外电极。由此第三下游电极V6被移 除且电压V7也可在-50到+50伏间变化。
在适当位置设置该纳米尺度的Einzel单透镜，加速部ACC的长度因而被制成 当在最高电压操作时，电场(在厚度t4的第一绝缘体中)远小于其击穿强度。
在本发明的某些优选实施方式中，包含在ACC、NEZL和MEZL部分的绝缘体层 是底切的以便电性屏蔽电子束于可能在一个或多个绝缘体层中或上积累的电荷。
绝缘体层相对于该机构的导电板的底切深度L表明在附图2的实施方式的示 意图中，底切深度L的数量相应于底切与绝缘体厚度的比率，L/t约为3∶1。在本 发明的这个或其它实施方式中其它比率也是可用的，包括2∶1和1∶1。
图2中，包含于ACC部的绝缘体层的底切深度为L1，NEZL部相应层的底切深 度为L2和L3之一，MEZL部相应层的底切深度为L4和L5之一。
在本发明的某些实施方式中，图2A所示结构是通过在多层结构中刻蚀孔形成 的。该多层结构的一部分显示于图2B，图2B中的附图标记对应于图2A，穿过该 结构的电子束的通道通过该孔的刻蚀而形成。
在某些实施方式中，该通道通过反应离子刻蚀(RIE)工艺形成。在本发明的 某些实施方式中，绝缘体层的底切是通过从形成通道后的该结构的自由边(例如 自由边3H’，附图2B)开始蚀刻每个绝缘体层的一部分而形成的。附图2B显示了 蚀刻了位于电极3F和3G之间的绝缘体层3H(附图2，附图3E)后附图2A所示结 构的一部分。
换句话说，绝缘体层在平行于绝缘体层一个面的侧向方向，沿着在该结构中 形成的电子束通道的方向，从该结构的一个自由边开始蚀刻。由此形成一个在该 结构的导电层间没有绝缘体层的区域，其在该结构的通道和自由边之间的一部分 中。在某些实施方式中，被刻蚀形成凹进绝缘体层的区域直径在约5μm到约10 μm的范围内，其它直径也是可用的。
图3示出了本发明更进一步的实施方式，一个粒子束发生器30包括发射粒子 束34的粒子源32，该粒子束发生器包括一个提取板E，加速部ACC和微型Einzel 单透镜部MEZL，也可称为初级聚焦部。
形成于初级聚焦部向源32的反方向的末端的粒子束34穿过图3中初级聚焦 部的焦点36后面的自由空间过程中，射束直径开始扩张至直径r0。相应地，提供 一个微型静电的单透镜形式的二级聚焦装置2MEZL，其在所有方面均类似于初级 MEZL，但具有稍大于第一透镜的孔隙，典型地直径约500nm。
该2MEZL透镜使用商业上可用的纳米定位装置进行高精确度(优于1nm)定位， 这样它可与从粒子束发生器产生的射束34共轴如图3所示。如果焦点36和该2MEZL 透镜的第一电极间的距离z1足够大，r0将大于在2MEZL的第一电极E1中的孔隙直 径，射束将通过提取板E中的开口A1被校准至一定的范围，由此，剩余射束进入 透镜并聚焦到点38，第二透镜的焦距Z2典型地小于10微米。
有利地，焦距可以通过调整施加到电极E1(图3)上的电压值来改变。
如图中所示，该透镜的入口孔隙A1是刀刃状的。在某些实施方式中，使用平 孔隙不会截断射束的一部分而阻塞该部分。二级聚焦装置2MEZL的孔隙A1可选择 为截断粒子束(如图3所示)，由此减小粒子束的拓扑空间并允许该粒子束随后聚 焦到一更小的点。
放大倍率z2/z1典型地小于0.1(也就是发生放大)，这样，如果z2是10微 米，那么z1要大于100微米。由此，具有直径s 3的射束点38与直径为s 2的射 束点36尺寸通过简单的关系式s 3＝s2×z1/z2相关联。由于在36处制得纳米尺 寸的点相对容易即使纳米尖端发射毫微安的电子，则射束点3的尺寸可以是原子 尺度(埃)。
然而应当指出的是，如上面所讨论的依赖于射束的发射度，这就需要通过 2MEZL的入口孔隙校准射束从而导致聚焦束电流的减小。这种缩小效应也使任何纳 米尖端32横向移动的不稳定性(例如震动)以相同数量的减少，由此，纳米尖端1nm 的横向不稳定性仅仅引起最终射束点约1埃的横向移动。
该二级聚焦Einzel单透镜2MEZL还提供了一种方便的方式来增加全部射束能 量从而进一步减小射束点的尺寸，这是因为该尺寸随射束能量的平方根变化。由 此典型地由第一Einzel单透镜MEZL射出的300eV的射束，通过将在第一位置的 所有电极施加一额外的-3000伏的偏压使得最后能量成为3300eV，因此，该能量 可以方便地在300到3300eV的范围内调整。
图11和12示出了本发明更进一步的实施方式，该实施方式类似于附图3的实施 方式除了该结构2MEZL部的孔隙被形成为大于将要穿过该孔隙的电子束的直径。
在图11和12的实施方式中，穿过2MEZL部的部分而形成的孔隙的直径a2在 1μm和约10μm之间。在2MEZL部的第一电极121中形成的孔隙可具有小于或大 于在2MEZL部的剩余部分形成的孔隙的直径。
按照附图3的实施方式，ESEML部分(源/提取器/透镜部分)被设置为从源 101提取电子，在本实施方式中是一个原子发射器，在距离ESEML部分的末端金属 电极104约6mm处形成一个原子尺度的射束点。该电子束具有高达1nA的强度并 且亮度高于传统电子源的一百万倍。在本发明的某些实施方式中，该射束直径小 于100nm。
电极101、102、103、104由厚度约500nm的金属材料形成，同时电极间绝缘 层109厚度约1μm。
使用中，在某些实施方式中约-330V的电压V0施加于纳米尖端110且约-300V 的电压V1施加到ESEML结构的第一电极101上。第二和第四电极102、104保持 在接地电压(V2，V4分别地)同时一个正或负的范围在-300V到+300V之间的电 压V3施加于第三电极103，电压V3被选择以形成一大致平行的电子束。
一二级聚焦部分2MEZL设置在距离ESEML部分d1的位置，在图1的实施方式 中，d1约为100μm。
按照该ESEML部分，位于2MEZL部分的电极105、106、107具有约500nm的 厚度且电极间绝缘层106厚度约1μm。
形成于电极101至104中的孔隙直径约为50nm，在某些实施方式中，孔隙的 直径在约50nm到约500nm之间。
使用中的图11中的设备根据样品表面与作为该结构的最后电极的第七电极 107之间的距离d2为约1mm来设置。其它距离也是可用的，在某些实施方式中， 该距离在约10nm到约1mm之间，在某些实施方式中，该距离在约1μm到约100 μm之间。
在某些实施方式中可以做到保持第五和第七电极105、107在接地电压且调整 第六电极106的电压V6。
在本发明的某些实施方式中，粒子源32(图3)或1(图2A)位于距离该设 备最近的孔隙约50nm到约500nm之间的位置，该距离依赖于孔隙的尺寸。
本发明的第三方面也包括在此，其中粒子源(具有纳米尖端1、32)使用液氦 冷却到一很低的温度，这样因发射率与开尔文温度(degree Kelvin)的平方根成 比例系数而降低了尖端的发射率，由此如果温度降低到4K(液氦的温度)且环境 温度为300K，则发射率按系数(4/300)1/2＝0.115降低且相应的最终射束点也 按相同的系数减小。从而，按本发明的第三方面，提供了一种粒子束发生器具有 冷却至显著低于环境温度的纳米尖端或粒子源，优选冷却至少100K，进一步优选 冷却至少150K，更进一步优选冷却至少200K，最优选的，粒子源通过液氦冷却至 大约4K的温度。
本发明中与高亮度纳米尖端有关的方面，已知常规生成亮的电子源的方法是 使用置于强电场的非常尖锐的金属针，该尖锐的点增强了尖端的电场并由此电子 被从该尖端发射出来，该工艺是众所周知的，这种行为的物理解释也已被Fowler 和Nordheim(参见已提及的文献)所发表。室温下发射出的电流值取决于施加的 电场强度和尖端的尖锐程度，尖锐程度通过最末端的半径来表征。
随着近场显微镜如扫描隧道显微镜(STM)的出现，使制作“针”或被广泛称 为纳米尖端的具有非常小半径的纳米探针成为可能，这大幅改善了从纳米探针发 射出的电流值，也改善了依赖发射电子的纳米尖端的最末区域尺寸的源的亮度。 这里，亮度被定义为从一特定区发射的具有特定偏向角的电流值。在一定电流一 定能量下，源亮度增加可以是减小区域和偏向角。此外，源的一个重要的品质因 数是来自远的电子的能量扩展度。如果该源用于在扫描电子显微镜中初始供应电 子，尤其是工作在低能量下(低于5keV的能量)，则能量扩展度可能成为该设备 最终分辨率的决定因素。
一个同时增加亮度和减小始于纳米尖端的能量扩展度的基本方法是使用一清 洁的优选(但不是排外地)由金属制成的纳米尖端。这样的尖端具有小至8nm的 直径，但这个极限尺寸随着制造这些设备的工艺改进而减小。该纳米尖端，可进 行原位清洗，然后涂覆(优选在真空中)一纳米尺寸厚度的不同材料的薄层，最 后结果是一薄膜多层从纳米尖端伸展到纳米探针体。最简单的设计，该多层由一 个真空沉积(例如硅石或氧化铝)到金属尖端的绝缘层和随后沉积到该层上的半 导体形成的第二层组成。每层均为几纳米厚，且足够大到允许与半导体层实现电 连接以能够施加一穿过绝缘层的电压。最简单的方式是将半导体层(掺杂的或本 征的)接地并施加一负电压(高达约20伏)于金属中央。源可操作地使纳米探针 置于一个强电场中，由此纳米尖端的电场被大大增强，然后施加一个负电压到纳 米探针的金属体，穿过绝缘层的电场(来自该电压)引发电子因量子隧穿穿过绝 缘层进入半导体的导带，由于这些电子非常接近真空的0能量，它们可以很容易 地隧穿势垒进入外界并被施加的电场加速。(Modern Semiconductor Device Physics，S.M.Sze(Edt.)，Wiley and Sons，1998，ISBN 0-471-15237-4描述了 如何在对半导体后的真空形成势垒、隧穿电流如何依赖于施加电场的强度以及金 属中的电子，或在这种情况下，半导体，与真空的0能级之间的能量差)
此外，也可以常规地制造场发射位置为原子尺度的超尖端 (C.Schossler，J.Urban and H.W.Kroops，J.Vac.Sci.Technol.B15(4)(1997) 1535-1538)。如果这样的尖端用于本发明，则第一场所可独自提供一个具有同发 射位置相似的原子尺度的聚焦射束点。当通过场离子化来用于生成离子时，这些 尖端在空气是稳定的。由此改变显微镜中的所有电压的极性能够使低能量射束 (100-600eV)聚焦至原子尺度，这种设置已知用于扫描聚焦场离子显微镜(SFFM)。
尽管这是尤其有关减少由源产生的电子的能量扩展度的明显的改进，由于它 被设置成仅从半导体导带的底部发射电子，减少的量子隧穿电流可导致总电流的 减少。然而可以通过调整电压和多层的厚度使隧穿共振，这种方法已经在薄膜电 子器件中应用。如果电压和厚度被仔细的控制能使电子穿过双层势垒进入真空的 透射率接近1(100％)。这种共振隧穿仅发生在对应于半导体导带特定(结合)能 量的特定电压下。发射尖端的电子的能量扩展度极大的小于未涂覆的纳米尖端。
应当指出最终射束的能量扩展度小是很重要的。如果在某些实施方式中射束 的变化值约200meV，由于射束直径小，这不会导致产生过多的像差。
此外，这种共振隧穿仅发生在具有特定厚度半导体层的尖端的点上，由于沉 积工艺能够在一个更小的区域生成最厚的层，故相比于未涂覆的尖端，该纳米尖 端具有更小的区域，由此该源的亮度有相当大的增加。
参考图3B，其示出了一个显微镜20由三个250nm厚的金属层21A-C和一个被 微米级厚度的绝缘体23分隔的层22和一个300nm的孔隙24组成。纳米尖端25 设置于离在其中具有一个30nm直径的孔26的第一电极30nm处。电压为：纳米尖 端，-515V；电极1(标记为22)，-500V；电极2(标记为21A)，0V；电极3(标 记为21B)，-365V；和电极4(标记为21C)，0V。这产生了与发射位置(1.0nm) 相同尺寸的射束点，因此放大倍率为1。
附图3C显示了通过射线跟踪程序SIMIONTM获得的电子束形貌。计算方法包括 复制高斯射束，这是准确的，除非射束被校准，在这种情况下需要考虑衍射。在 本发明中，射束总是非常小于显微镜的孔隙，填充系数总是小于20％且对于原子 发射器来说更小，因此，衍射极限单独由电子波长决定，然而在传统系统中孔隙 处的衍射限于最终的分辨率。射线的起点是钨纳米尖端的拓扑空间，在本实施方 式中具有5nm的半径，并近似为发射区域为1×1nm、发射全角为6°的占用拓扑 空间外围8点的矩形(由高斯射束的全宽度定义)，一个从现有技术测量超尖端(例 如，揭示于Hong-Shi Kuo，Ing-Shouh Hwang，Tsu-Yi Fu，Yu-Chen Lin，Che-Cheng Chang and Tien T.Tsong，Jap.J.of Appl.Phys.45(11)(2006)8972，C.SchlOssler， J.Urban and H.W.P.Koops，J.Vac.Sc.Technol.B 15(4)(1997)1535，A.B.H.Tay and J.T.Thong，Rev.Sc.Instr.75(10)(2004)3248，和Seigi Minzuno， J.Vac.Sc.Technol.，B19(5)(2001)1874)推断出的图形，发射能量被认为是4eV。
该图显示了由这些射线决定的射束的形貌，对于离第一孔隙60nm处的点源和 纳米尺寸发射器、射束能量为515eV。提取板22保持在电压V1＝-500V，电极21A 和21C保持在0V(也就是V2、V4是0V)，同时电极21B保持在电压V3＝-380V。
这些条件产生了射束点为0.04nm，且当远离显微镜末端4.9μm的距离时，射 束点为1.24nm。射束点的尺寸可以通过增加Einzel单透镜上的电压来减小，因此 在距末端约4μm处射束点的尺寸分别为.03和0.9nm。这是单位放大倍率的近似 位置。点状发射器的射线踪迹表明像差远小于衍射极限λ/2＝0.5埃。
附图4A和4B显示了未涂覆和涂覆的纳米探针的理想化几何形状，每一个 由具有及其尖锐的尖端的(金属)针组成，(纳米尖端)被高度放大显示。纳米 探针的轴41、42大到其能够置于悬臂上并能够电性接触外部的薄膜。(每个纳 米探针的图表都分开显示了具有大不相同尺度的两部分)未涂覆的纳米探针41， 具有一个约8nm或更大的直径的纳米尖端43，该新的电子源纳米探针42，涂覆 有绝缘层45，并随后被一个半导体层46覆盖，通过它建立与纳米探针体的电性 连接。纳米探针的金属体是电性隔离的并通过纳米探针的轴42连接到一个负电 压供给47，在纳米探针表面48上的一点上使半导体外层46与地接触。如果将 该涂覆的纳米探针置于一个强电场中且探针体沿着电场方向(电场方向从尖端 朝向纳米探针的轴)，则当施加一穿过绝缘膜45的负电压时，电子49将从纳米 尖端44发射出来，这些电子源于金属，隧穿通过该绝缘膜进入半导体的导带并 从此进入真空。
如前面所述，为了形成一用于电子显微镜(或光刻机械)的射束，电子被在 场发射尖端(纳米尖端或其它)前面紧接着的提取孔隙的透镜(通常是静电的) 收集并聚焦。由此，射束在孔隙处扩张并通过该透镜重新聚焦到一点。离开此点 的射束侧向扩张，但其扩展度通过高电压对其加速而明显减小，另外的一个或多 个透镜(通常是磁透镜)随后用于再聚焦射束至小到1nm的尺度。电压和孔隙的 尺寸对决定设备的表现起着重要的作用。在现有技术系统里，纳米尖端前面的孔 隙具有微米级的尺度并远离孔隙微米距离设置，这就需要几千伏的电压用于从纳 米尖端提取电子。孔隙被设置成具有大致等于或大于尖端的尺寸：沿紧接着孔隙 的透镜轴向的孔隙距离。在某些实施方式种，孔隙远大于尖端：孔隙距离。
置于孔隙后的透镜用于在加速前聚焦电子束至一小的尺寸和聚焦到一合适的 射束点以适用于扫描电子显微镜(SEM)或其它目的。
这种情况下，以及用于电子束光刻时，射束点的尺寸以及电流的强度成为决 定设备整体表现的决定性因素，显然地，显微镜的整体表现受限于源的亮度，亮 度随能量平方根的反比变化，于是经常配置有一个特定的能量。
一个重要的限制传统源的亮度的因素是电子源或枪里的像差，这些可以许多 数量级地降低亮度。为了矫正这些像差和制得一个具有场发射纳米尖端固有亮度 的源，一种新的提取器几何形状设计用来克服这些明显的原因被作为邻近提取器 所熟知，该方法使用耦合于非常强电场的纳米尺度几何形状以使电子在形成为具 有固有场发射亮度(通过能量矫正)的几乎平行的射束前仅传播一个很小的距离， 由此几乎所有的尖端像差被消除。这又是可以实现的直接对纳米尖端发射点进行 成像的观点，由于尺寸的减小和强电场提取技术阻止了射束的侧向扩张。
这种新的源几何形状显示于图5和6A、B、C，附图5解释了它工作的原理同 时附图6A、B、C显示了其如何应用于实践中。在图5种，电子从一个典型的置于 导电板52中的孔隙53前面的纳米尖端51中发射出来，导电板52的厚度55在10nm 到500nm的范围内依赖于孔隙直径变化。该纳米尖端具有典型的5nm半径或锐度， 置于远离孔隙53约30nm的位置，孔隙53具有典型地30nm直径但如果电极52的 厚度增加其可以大至500nm。这些尺度约100倍小于现有的提取器系统。这种设置 现在可以通过近来发展的MNEMS(微-纳米工程系统)和尤其是FIB(聚焦离子束) 研磨机来制造。如果足够的负电压施加于尖端和层之间，则电极54能发射如图所 示的射束。
该射束的扩张可以通过在标记为字母E的孔隙后立即施加很高的电场来进行 控制，箭头指示了电子被电场加速的方向，其为真实电场的相反方向。该电场的 作用是加速耦合于孔隙透镜效应的电子，限制射束的最大直径为约100nm，射束根 据需要的最终能量被加速了1到几个微米的长度。这很大程度上不同于常规的提 取器系统，其中没有尖端的实像形成于电子束下游薄膜52后面的某点，而在尖端 后面如图5所示的尖端更左边有一个放大的虚像。纳米尖端后几微米处射束的亮 度仅取决于发射位置的性质(尺寸和发射角)并能够直到一百万倍地大于源自常 规的肉眼可见源的射束亮度。
使用这种系统基本上没有像差，这是因为射束的侧向扩张小且在电场中的射 束的亮度随能量的增加而增加。使用现有源常规的点对点成像时，通常在不均匀 电场中，射束横向扩张至一千倍地大于本系统，因此系统将受像差影响。这些像 差有力地降低了源的亮度且不能通过直接成像发射位置来聚焦射束以获得高的分 辨率。在这种情况下，射束需严格地校准且最后的透镜成像位于该源下游的照明 准直器。在如图6A、6B、6C所示的实施方式中，射束完全没有被校准，因此没有 虚假散射或衍射。
一种将该理论用于实践的方法显示于附图6A、6B、6C。纳米尖端62是如图 6B所示构成整体的导电衬底61的一部分或是如图6C所示的一个分离的较大的 纳米尖端。对于后面的情况，该纳米尖端需要电连接到衬底上。纳米尖端与导 电层65(孔隙板65)通过绝缘层63相分隔，绝缘层63被蚀穿以暴露出在孔隙 64前面的纳米尖端。典型地，该薄的导电层65对于30nm直径的孔隙厚度为约 50nm，对于300nm孔隙厚度为约200nm，并且最好地，在衬底61和导电层65之 间的绝缘层63的内墙63A有一个如图6B所示的横截面为凹入的圆锥形貌。这 样的形貌有利于减少边缘散射量。一个可选的方式是使用一个孤立的纳米尖端， 使用纳米定位装置将其定位于孔64的轴向一定距离处。如果纳米尖端形成于一 个悬臂的末端，这将能很容易的实现。导电层65可以是一个孔隙板65或刀刃 状单元65。
该孔隙可以通过FIB制得。一个厚度约为1微米的轻掺杂半导体(或绝缘 的)层66随后用于分隔孔隙板65和形成在导电支撑结构67上的导电板68。图 6A旁边示出了典型的用于生成330eV(电子伏能量)高亮度射束的电压。由此， 纳米尖端为330V且与孔隙板65的电压差为30V，其足够从尖端生成约50nA的 电子电流。用于限制和加速射束的电场由孔隙板65和支撑结构67的300V电压 差形成。半导体(或绝缘的)层66中的孔至少3倍于孔隙(它可大到直径1微 米)。板68是一个与孔隙板65具有类似厚度的薄层，具有一个直径为100到300nm 之间的中心孔隙69。如果孔隙板相对较厚则其优选制成一个圆锥尖从而其边缘 仅有几纳米厚。
尽管源被设计成使射束不被孔隙板65或板68所截断，最好地由板68边缘造 成的边缘散射降低到一最小值。类似的考虑适用于孔隙板65。板中形成锥形孔的 大直径位置临近强电场区域，尤其对于该孔隙。因此，该孔的直径为30nm但可以 大到500nm。尽管射束的计算表明射束不受孔隙边缘的影响，增大两个孔隙64、 69的尺寸到几百纳米保证了没有散射且镜像电荷和衍射的影响是可以忽略的。
从孔隙69发射出的射束的整体亮度能够许多数量级地大于从一个较常规的源 发射的射束。如果使用超尖端可再增加几个数量级。
本发明进一步延伸至包括一个粒子束生成器以及揭示于专利文献 WO03/107375中这类的微型显微镜的设备和分析方法，进行如上所述的改良和增 强，并应用于测量散射电子的能量和强度从而能够识别待检测的原子种类；使设 备的分辨率小于聚焦射束点；和直接测量材料的微-纳米晶体结构。
参见附图6D，并考虑图3C及其相应描述，该设备的表现受限于电子发射位置 的尺寸，且现有一些报道制造了稳定的原子尺寸发射器(超尖端)，表明图3C模 拟的显微镜具有2埃的分辨率。然而，重要的是显微镜匹配于电子发射位置但其 尺寸随施加的电场而变化。由此，原子发射器(超尖端)在施加的电场远小于典 型纳米尖端时产生几纳安的电流。这种低电场可以通过减小尖端的电压和/或移动 尖端使其远离入口孔隙获得。附图6C显示了半径为5nm的纳米尖端处的电场随电 压V1的变化，V1是间距30nm的尖端和孔隙板65的电压差且固定Einzel单透镜 电压为-380V。所有情况下，焦点的位置随射束点尺寸的变化而改变，单位放大倍 率点在距透镜末端约4μm处u/v≈1。
由于非常短的焦距应用该显微镜进行测试的实际几何结构不像高能显微镜那 样方便。最简单的方法学是将显微镜建造于一个微米尖端的末端，该微米尖端可 置于离样品必需的焦距的位置处。
这种几何结构保证了背散射电子能够被检测同时使用常规的压电器件移动样 品或者显微镜来实现扫描。这完全类似于常规的SEM，其中SEM纳米尖端被一个聚 焦电子束所取代。然而，由于场深较大(≥50nm)，微米尖端与样品的距离在扫描 中可很容易地保持，且另外的，调整透镜上的电压来保持焦点。这意味着扫描速 度将明显快于STM，在由于射束电流100倍增大产生的比常规SEM大的最高分辨率 下。
最后总结一下聚焦低能量电子到原子尺度的能力所带来的优点。首先设备 更简易且不需要高电压导致整体的包装尺寸类似一个STM，然而最重要的方面是 弹性散射横截面远大于高能量下的常规设备，允许其对原子成像且单独通过弹 性散射(最强信道)能辨明原子种类，这是因为用于该散射的横截面随原子量 的平方而变化。此外，可以由钨丝制得纳米尖端，由此可生成极化电子用于表 面的磁性测试。同样，由于该能量在低能量电子衍射(LEED)制度里，可以通 过前面和后面衍射图样直接排序一个DNA链，射束聚焦到几纳米并沿链横向扫 描(可能有必要使用两个射束或者转动链以消除螺旋聚合物链的掩盖)。使用 LEED拆开一个单一的蛋白质分子结构更困难原因在于多重散射成为主流。然而， 测量单一蛋白质分子的表面形貌是可行的如果电子能量在100eV下且蛋白质在 射束中旋转。后者可以通过添加荧光染料到蛋白质并使用线性偏振的、驻波激 光束保持它，尤其分子被充分激光冷却来实现。对DNA排序时，电子束聚焦到 2-3nm的直径且由于射束有效地相干的，使获得射束中的碱基对的全息图成为可 能。然而，在快速序列化时，随着射束沿该链进行扫描，仅需要从几个置于约 焦点位置处的探测器得到的衍射图样获取信号。辐射伤害用于双链断裂的横截 面远小于弹性散射信号，尤其是如果电子能量小于50eV以致不能产生双链断裂 但仍能提供足够的“指纹”数据(快速)扫描速率是几乎必然可行的即使在此 能量下的波长阻止了全息图的生成。(应当指出DNA位置的稳定性并不重要，这 是因为纳安级电流下电子密度极其小以致于当单电子穿过时移动小于1埃。为 此射束的宽度要显著大于DNA链的直径。
在进一步的描述中，参考附图7-10，一个显微镜包括一个芯片70上的扫描电 子显微镜(SEM)。
该SEM包括一个纳米尖端电子源72、一个电子提取器/加速器73，和一个静 电透镜(或者透镜组)74，射束76从小于100nm的直径聚焦到尺寸约0.1nm的点 78。为了获得如此小的点尺寸，最后的透镜具有约10微米的焦距是必须的。该SEM 芯片形成或装配在锥形的微米尖端芯片本体81上，由此散射电子的轨道不会被材 料表面阻挡。锥形的芯片本体81最好由一单片晶片形成，但读者应认识到芯片本 体可选择地由其它合适材料形成。芯片本体81包含集成的电子器件用于控制显微 镜。这种集成控制装置可制造在芯片本体内。芯片本体附有常用于扫描隧道显微 镜类型的纳米操纵器81A。这可在材料79的样品横向和纵向上准确地定位显微镜。 通过芯片本体81实现与显微镜的电连接。扫描可通过使用压电光栅扫描移动纳米 操纵器81A或可选择地样品79来实现，同时使用电子探测器例如电子通道板来测 量散射电子77的强度。
参考图8a，显微镜适合同时测量散射电子的强度和能量。在该系统中，一个静 电分离器例如半球状双聚焦静电分离器(但在图8a中用简单的一对板表示)用来分 离不同能量的电子并使它们沿一位置敏感探测器84散布。该探测器84可以是已知类 型中的任一种，例如具有电阻采集器的通道板。流过路径A和B的电流比确定了入射 电子的位置并由静电分离器的特性确定了它们的能量。一个典型的电子能量谱示意于 图8b。它由在聚焦的电子束能量下的一个弹性峰86和由多数来自穿透表面的电子的 非弹性散射电子形成的宽的扩散区域87组成。作为电子束位置函数的该后面的宽区 域的强度能得出表面形貌，同时弹性峰86的强度用于得出在此图中的任意原子的原 子量(原子种类)。表面原子的图像可通过作为电子束在表面上的位置函数的散射电 子强度来获得。这种辨别力的灵敏度，尤其对于重元素可以通过越过被讨论原子的L 或M边扫描电子能量来改善。弹性峰在L和M结合能处出现一个如图8c所示的浸入， 这是被讨论原子的原子量特性。能量的扫描最好通过使用负偏压获得(正偏压用于降 低能量)，整个显微镜结合一如88所示的可变电压，由此相对于样品电子能量是增加 的。通过这种方式能量可以覆盖100eV到1000eV的范围，并且这包含了大多数的L 和M原子边。准确测定所示浸入图谱边的能量位置还可以提供该元素尤其是当其涉及 价电子层时化学键的信息。
参考附图9a，其显示了一种改进设备的分辨率的设置，通过提供一个“左侧右 侧”散射系统。两个能量敏感探测器89和90放置于显微镜或者材料样品的扫描 方向的边上。随着射束横过样品的表面移动(在图中为从左至右)，来自弹性散射 于原子91的电子信号先被探测器89监测后被探测器90监测。随着扫描的继续， 探测器89监测的信号在探测器90监测的信号之前消失，这两个来自方形射束的 信号比示于图9b，且能够用于获得比射束点尺寸高的分辨率的原子图像。
参见图10，显示了一种通过聚焦电子束76实施低能电子衍射的设置。在此设置 中，一系列探测器(或一个电子荧光屏)92用于测量样品材料79表面纳米晶(或微 米晶)发生的电子衍射。射束被散焦使得射束点等于或小于表面的纳米晶体尺寸，由 此，通过散射于纳米晶中单个原子的电子的干涉获得衍射图。这种方式下可以研究多 晶的表面结构的特性。如上所述的，更多关于晶体结构的信息可以通过使用如图8a 所示的类似的偏压设置88来改变能量而获得，能量变化范围为50eV到1000eV。
在一个尤其优选的实施方式中，纳米尖端是通过使用电子束和有机金属蒸汽 光刻获得的超尖端，也就是纳米尖端通过一聚焦离子束(FIB)制得。
例如，现有技术文献[1535，J.Vac.Sci.Technol.B15(4)，Jul/Aug1997]表明使用 扫描隧道显微镜进行材料加工受到相比于显微镜本身原子分辨率能力较差的线宽的 阻碍。由于电子或离子场发射源于许多具有低的功函数的尖端位置，射束的轨迹被扩 展。一个优选解决方案是使用超尖端，提供一个单一位置用于发射受限发射角的射束。 超尖端由一个钝的基部尖端和一个附于其上的直径和高度为几微米的超尖端组成。该 纳米尖端仅从场不稳定的一点发射电流。附于其上的该微小尖端产生场发射所需的强 电场。电子束诱导有机金化合物沉积和热衬底用于制造附于其上的纳米晶超尖端。射 束的受限发射角使用场发射显微镜研究加以确定。可以获得受限角在±7.2°这样的 超尖端能发射测量为0.2mA/sr的发射量，并由此获得具有至少十倍高于常规蚀刻尖 端的角发射密度。沉积的超尖端不需要单晶基体并可形成于任意基体材料上。此外， 这种超尖端可以用于大气下的扫描隧道显微镜。
在本发明的情况下，超尖端可用于发射电子如果被通过反转电压周期性地清 洗。连同按照本发明的显微镜并使用超尖端，操作于低压惰性气体环境下的显微 镜的电压反转允许聚焦离子(由尖端场离化产生)到原子尺寸。而且，这种设置 可免受击穿，因为尺寸很小以至于雪崩不会形成，因为电子的自由路径可与该设 置的尺寸(包括焦距)相比。
上述描述的设置具有潜在的变革性的应用，比如航空业原位辨认纳米裂痕。
图13显示了按照本发明实施方式的一个显微镜的示意图。该显微镜具有一个 微悬臂220，该悬臂上有一个尖端部分222及形成在尖端部分222最末端的纳米尖 端224。
一个电子提取/加速部分230与纳米尖端224并列放置，该230部分具有夹着 硅层209的第一电极201和第二电极202。
使用中，在某些实施方式中第一电极201(一个提取板)保持在约-300V的电 压同时第二电极202保持接地电压。
一个聚焦部分240具有各自被硅层209分隔的三个电极，这三个电极的第一 和第三作为显微镜的第三和第五电极203、205，各自保持接地电压，同时中间电 极作为显微镜的第四电极204保持在约300V的电压。
一个硅层设置于提取/加速部分230和聚焦部分240之间。
使用中，第五电极205置于距离在样品之下大致为平面的样品表面约10微米 的位置。在某些实施方式中，样品被扫描使样品的局部高度在第五电极205下通 常不变的距离。压电扫描元件可以实现上述功能。
在某些实施方式中显微镜被配置使得电子束在离开第五电极时具有约50nm的 直径，300eV的能量下的射束在样品表面被聚焦到约0.1nm的尺寸。
提供一个电子探测器用于监测由于电子束辐射而自样品出现的电子。
图14显示了形成于衬底330上的一对纳米棱锥的尖端310、320。尖端310、 320在每个结构的顶点311、321具有单原子，由此提供一个原子形状的尖端作为 电子发射位置。在所示的结构中衬底为金且纳米棱锥也由金形成。前述的其它金 属也是可用的。
在本发明的某些实施方式中，一个具有原子尺度的尖端对于获得原子分辨率的图 像是至关重要的。这是因为，在一个具有尖端和样品间的电子束为单位放大倍率的显 微镜中，原子尺度的电子束照射样品可以得到接近原子分辨率的图像且像差小。