宽视场带电粒子过滤器的制作方法

宽视场带电粒子过滤器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年4月1日提交的美国专利申请第63/003,575号的优先权权益，所述申请出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
3.本发明总体上涉及一种带电粒子过滤器，其被配置成在不影响视场的情况下最大化过滤器内的场强度。


背景技术：

4.一般了解，带电粒子过滤器(有时也称为“电子陷阱”或“磁偏转器”)广泛地与能量色散x射线光谱(eds)系统一起使用，所述系统检测从暴露于电子束的材料中发射的x射线光子。检测到的x射线光子一般用于表征材料的元素组成。还一般了解，电子束产生背散射电子(例如带电粒子)，所述背散射电子产生与x射线光子相似的信号，从而在信号数据中引起不希望的背景噪声。
5.带电粒子过滤器的典型实施例被配置成通过产生具有足够高的场强度的磁场来基本上减少或防止带电粒子到达检测器。一般来说，eds系统用于显微法应用中，如用于扫描电子显微镜(sem)中，其中由于显微镜内的空间有限，因此非常需要带电粒子过滤器的紧凑几何结构。用于显微法应用中的带电粒子过滤器的实例描述于美国专利第9,697,984号和第9,837,242号中，所述专利中的每一个出于所有目的特此以全文引用的方式并入本文中。
6.在典型的显微法应用中，紧凑的几何结构包括与显微法应用相关联的小扫描区域(例如1mm
×
1mm)兼容的小视场。然而，这种小视场对于与其他应用一起使用是不利的，例如，在由所谓的电子束熔化仪器或电子束粉末床融合仪器实施的电子束增材制造(ebam)应用中。ebam仪器一般包含大扫描区域(例如0.2米
×
0.2米)。然而，简单地创建具有大视场的带大孔隙的超大粒子过滤器将没有足够的提交强度来有效地防止带电粒子到达检测器。这对于ebam应用尤其成问题，因为ebam中的带电粒子通常具有60kev的能量，是sem中正常最大值30kev的两倍。
7.因此，需要一种具有宽视场和足够场强度的带电粒子过滤器，以有效地防止带电粒子到达检测器。


技术实现要素：

8.本文中相对于说明性、非限制性、实施方案描述用以解决这些和其它需要的系统、方法和产品。各种替代方案、修改和等效物是可能的。
9.描述了带电粒子过滤器的实施例，所述带电粒子过滤器包括多个磁体，所述多个磁体各自具有相对于由从检测器上的视场中心到平台上的视场中心的线限定的平面以一定的角倾斜的表面。在所描述的实施例中，倾斜表面被定位成形成包括磁场梯度的孔，所述
磁场梯度在孔的靠近检测器的侧上的第一孔隙处最强。
10.根据实施方案，倾斜表面可以是基本上平面的或基本上圆锥形的，其中基本上圆锥形表面的半径与角有关。另外，在一些实施方案中，倾斜表面包括在5-45
°
范围内的角度，并且更具体地说可以包含15.4
°
的角。
11.此外，孔可以具有平台上的视场，所述视场由孔的面向平台的侧上的第二孔隙的直径限定。在一些情况下，视场的直径为约128mm。另外，磁场梯度可以包含约1000高斯-5000高斯的磁场强度范围。
12.另外，在一些情况下，带电粒子过滤器可以包含被配置成填充磁体之间的空间的一个或多个插入件。类似地，在一些情况下，带电粒子过滤器可以包含磁通环，所述磁通环具有为了倾斜角而正确定位磁体的几何结构。
13.还描述了电子束增材制造仪器的实施例，所述电子束增材制造仪器包括：电子束源，其被配置成产生电子束；平台，其被配置为支撑件，电子束增材制造仪器响应于电子束而在支撑件上构建产品；检测器，其被配置成响应于一个或多个x射线光子而产生信号，所述一个或多个x射线光子是响应于电子束而从产品释放；和带电粒子过滤器，其被配置成使响应于电子束而从产品释放的一个或多个带电粒子偏转远离检测器，其中带电粒子过滤器包括多个磁体，所述多个磁体各自包括相对于由从检测器上的视场中心到平台上的视场中心的线限定的平面以一定的角倾斜的表面。此外，倾斜表面被定位成形成包括磁场梯度的孔，所述磁场梯度在孔的靠近检测器的侧上的第一孔隙处最强。
14.根据实施方案，倾斜表面可以是基本上平面的或基本上圆锥形的，其中基本上圆锥形表面的半径与角有关。另外，在一些实施方案中，倾斜表面包括在5-45
°
范围内的角，并且更具体地说可以包含15.4
°
的角。
15.此外，孔可以具有平台上的视场，所述视场由孔的面向平台的侧上的第二孔隙的直径限定。在一些情况下，视场的直径为约128mm。另外，磁场梯度可以包含约1000高斯-5000高斯的磁场强度范围。
16.另外，在一些情况下，带电粒子过滤器可以包含被配置成填充磁体之间的空间的一个或多个插入件。类似地，在一些情况下，带电粒子过滤器可以包含磁通环，所述磁通环具有为了倾斜角而正确定位磁体的几何结构。
17.上述实施例和实施方案彼此不一定为包含性的或排它性的，且无论其是否与相同或不同实施例或实施方案结合呈现，所述实施例和实施方案都可以不冲突的和其它可能的任何方式进行组合。一个实施例或实施方案的描述不意图相对于其它实施例和/或实施方案为限制性的。此外，在替代实施方案中，在本说明书中其它地方描述的任何一或多个功能、步骤、操作或技术可与本发明内容中描述的任何一或多个功能、步骤、操作或技术组合。因此，上述实施例和实施方案为说明性的而非限制性的。
附图说明
18.从结合附图进行的以下详细描述中将更清楚地了解以上和另外的特征。在图式中，相同的参考标号指示相同的结构、元件或方法步骤，且参考标号的最左边数字指示参考元件第一次出现的图的编号(例如元件110第一次出现在图1中)。然而，所有这些惯例意图是典型的或说明性的，而非限制性的。
19.图1是与计算机通信的电子束增材制造仪器的一个实施例的功能框图；
20.图2是图1的具有带电粒子过滤器的电子束增材制造仪器的一个实施例的简化图形表示；
21.图3是图2的具有多个磁体的带电粒子过滤器的一个实施例的简化图形表示；
22.图4a是图2的具有被布置成提供倾斜角的多个磁体的带电粒子过滤器的一个实施例的简化图形表示；
23.图4b是图2的带电粒子过滤器的一个实施例的简化图形表示，其中多个磁体中的每一个具有包含倾斜角的几何结构；
24.图5a是图2的具有正确定位多个磁体的磁通环的带电粒子过滤器的一个实施例的简化图形表示；和
25.图5b是具有磁通环的图2的带电粒子过滤器的一个实施例的简化图形表示，并且多个磁体包含基本上圆锥形表面，所述基本上圆锥形表面在孔内包含倾斜角。
26.贯穿图式的若干视图，相同的附图标记指代对应部分。
具体实施方式
27.如以下将更详细描述的，所描述的发明的实施例包含带电粒子过滤器，其具有宽视场并且包括足够的场强度以有效防止带电粒子到达检测器。更具体地说，带电粒子过滤器配置有多个磁体，所述多个磁体具有相对于平行于粒子行进的平面的倾斜表面，其中从带电粒子过滤器的最靠近带电粒子源的侧到最靠近检测器的侧，磁体之间的空间减小。
28.图1提供能够与计算机110和ebam仪器120交互的用户101的简化说明性实例。ebam仪器120的实施例可以包含多种可商购的ebam仪器。例如，ebam仪器120可以包含可购自arcam ab(ge additive公司)的q10电子束熔化仪器。图1还示出了计算机110和ebam仪器120之间的网络连接，然而，应了解，图1旨在为示例性的，并且可以包含附加的或更少的网络连接。此外，元件之间的网络连接可包含“直接”有线或无线数据传输(例如，在图中由闪电表示)以及经由其他设备(例如，交换机，路由器，控制器，计算机等)的“间接”通信。因此，不应将图1的实例视为限制。
29.计算机110可包含任何类型的计算平台，如工作站、个人计算机、平板计算机、“智能电话”、一个或多个服务器、计算集群(本地或远程)，或任何其它当前或未来计算机或计算机集群。计算机通常包含已知组件，如一个或多个处理器、操作系统、系统存储器、存储器存储装置、输入-输出控制器、输入-输出装置和显示装置。还应了解，计算机110的多于一个实施方案可用于在不同实施例中进行各种操作，且因此图1中的计算机110的表示不应视为具限制性。
30.在一些实施例中，计算机110可采用包括计算机可用媒体的计算机程序产品，所述计算机可用媒体具有存储于其中的控制逻辑(例如包含程序代码的计算机软件程序)。控制逻辑在由处理器执行时使得处理器进行本文中所描述的功能中的一些或全部。在其它实施例中，一些功能主要在硬件中使用例如硬件状态机来实施。实施硬件状态机以便进行本文中所描述的功能对于相关领域的技术人员来说将是显而易见的。并且在相同或其它实施例中，计算机110可使用互联网客户端，所述互联网客户端可包含被启用以通过网络访问远程信息的专门的软件应用程序。网络可包含本领域的普通技术人员众所周知的许多不同类型
的网络中的一个或多个。举例来说，网络可包含局域网或广域网，其采用通常称为tcp/ip协议集的协议来通信。网络可包含通常称为因特网的互连计算机网络的世界系统，或还可包含各种内联网架构。相关领域的普通技术人员还将了解，联网环境中的一些用户可能偏爱使用所谓的“防火墙”(有时也称为包过滤器或边界防护装置)来控制去往和来自硬件和/或软件系统的信息业务。举例来说，防火墙可包括硬件或软件元件或其某一组合，且通常设计成强制执行由用户(如例如网络管理员等)置于适当位置的安全策略。
31.如本文所述，所描述的发明的实施例包含具有多个磁体的带电粒子过滤器，其包括宽视场并且包括足够的场强度以有效地防止带电粒子到达检测器。在所描述的实施例中，带电粒子过滤器具有相对于由从检测器上的视场中心到平台上的视场中心的线限定的平面以一定的角倾斜的表面，其中倾斜表面产生场强度梯度，其中在带电粒子过滤器接近检测器的区域中场强度最强。
32.图2提供了包括带电粒子过滤器210和检测器220的ebam仪器120的简化说明性实例。在一些实施例中，检测器220可以包含所谓的硅漂移检测器(sdd)，或现有技术中已知的其他类型的检测器。另外，在一些实施例中，带电粒子过滤器定位在真空室205内，所述真空室包括通常用于电子束增材制造应用的真空环境。另外，在相同或替代实施例中，检测器220定位在大气室207内，所述大气室包括与ebam仪器120外部的周围环境基本上相似的环境。例如，带电粒子过滤器210和检测器220可以定位在由可透射x射线光子的气密隔板(例如“窗口”)隔开的不同环境中。在一些实施例中，希望隔板是薄的，从而允许低能量x射线光子通过，在一些情况下由附加结构支撑以提供刚性。eds应用中使用的典型隔板可能由基于聚合物的材料、铍(be)或钠(na)构成。然而，可以使用具有所需特性的任何类型的隔板。另外，在本实例中，在典型的电子束增材制造应用中，电子束207源自平台230的正上方(例如，电子束207可以基本上垂直于平台230的平面，然而，应了解，电子束207是在计算机110的方向控制下构建产品，并且可以以超过垂直的角定向)。此外，检测器220和带电粒子过滤器210都定位到真空室205的一侧，到平台230有一条直接视线，两者都倾斜一定的角，这取决于与电子束207的起源位置的距离，以向其中电子束207用于构建产品的平台230的区域提供检测器视场233。在许多实施例中，位置检测器220和带电粒子过滤器210限于真空室205上的可用端口。
33.图2还示出了中心线225，其限定了从检测器220上的视场中心到平台230上的视场中心的平面。在一些实施例中，中心线225限定带电粒子过滤器210到平台230之间的距离，所述距离还与电子束207的高度距离有关，所述高度距离由平台230的顶部(例如ebam 120在其上构建产品的支撑件)到真空室205的顶部之间的距离。例如，中心线225可以包含约472mm的距离并且电子束207可以包含约450mm的高度距离。然而，应了解，ebam 120可以包含多种构型和尺寸，因此本实例中的尺寸不应被认为是限制性的。
34.另外，图2示出检测器视场233小于最大视场235。在本文所述的实施例中，最大视场235由带电粒子过滤器210的特性限定，并且检测器视场233由一个或多个其他元件的特性限定，其中在一些情况下，可能希望检测器视场233不在最大视场235的限值处。替代地，在一些应用中，可能希望检测器视场233与最大视场235基本上相同。例如，在一些实施例中，检测器视场可以包含直径约128mm的区域，并且最大视场可以包含直径约316mm的区域。此外，在一些情况下，平台230可以包含直径或宽度约为200mm的区域，其中平台230的实施
例基本上为正方形或矩形。
35.图3提供了图2的带电粒子过滤器210和检测器220的放大视图的简化说明性实例。首先，图3示出了选择性地限制撞击检测器220的x射线光子的数量的x射线限制孔隙305。在一些实施例中，x射线限制孔隙305选择来自与被电子束207激发的区域相关联的检测器视场233的x射线光子，从而减少对源自真空室205的其他部分的x射线光子的检测，这些x射线光子可能会导致信号中的噪声。重要的是，在所描述的实施例中，带电粒子过滤器210基本上减少或消除了对源自最大视场235的整个区域的带电粒子的检测，这些带电粒子可能是检测到的信号中的噪声源。
36.在一些实施例中，x射线限制孔隙305还可以减少撞击检测器220的光子的数量，这具有降低饱和或损坏检测器220的元件的可能性的益处。此外，应了解，ebam仪器120的一些实施例可以允许用户改变x射线限制孔隙305的尺寸，使得能够使用不同体积的检测器视场233。
37.图3进一步示出了多个磁体310，其各自具有相对于中心线225以一定的角倾斜的表面，其中倾斜表面限定x射线光子穿过的孔313。磁体310可以包含本领域中通常使用的任何类型的磁体，如钕或具有所需特性的其他类型的磁体。例如，可以采用由具有各种等级的smco和主要等级的ndfe的材料构成的永磁体。
38.在图3的实施例中，磁体310基本上是矩形的，具有基本上平行的表面，其中倾斜角315与孔313的表面的倾斜的角基本上相同。在图3的实例中，倾斜角等于约15.4
°
，然而，认为5-45
°
范围内的倾斜角在本发明的范围内。
39.在所描述的实施例中，磁体310的位置限定最大视场235的区域，并且更具体地说，磁体310的特定部分根据倾斜角的程度限定最大视场235的区域。例如，对于如图3所示的约15.4
°
的倾斜角，孔313内的每个磁体310在面向平台230的第二孔隙317处的拐角(例如，x射线光子和带电粒子起源的地方)限定了最大视场235的区域。替代地，对于小倾斜角(例如《10
°
)，孔313内的每个磁体310在接近检测器220的第一孔隙315处的拐角限定最大视场235的区域。
40.在图3的实例中，最大视场235是36.4
°
，然而，最大视场可以包含在10-90
°
范围内的视场。此外，由于检测器220和带电粒子过滤器210的倾斜角(如上所述)，中心线225以平台入射角337与平台230交互，所述平台入射角可以包含72.4
°
的角。另外，由于检测器220和带电粒子过滤器210的倾斜角，从中心线225测量的角，即角333(例如7.7
°
)和角335(例如7.1
°
)略有不同。此外，本领域普通技术人员将了解，图3的实例示出了对于两个磁体310具有相似斜率值的对称构型，这导致不同的视场角333和335。然而，如果希望角333和335相似(或任何其他值)，则这可以借助独立地具有包括不对称设计的倾斜构型的磁体310来实现(例如，每个磁体310具有彼此不同的倾斜角)。
41.图3还示出了包括梯度的磁场320，所述梯度在孔313靠近检测器220的侧上的第一孔隙315处最强并且在孔313面向平台230的侧上的第二孔隙317处最弱(例如，通过箭头的厚度在图3中所示的磁场强度)。在所描述的实施例中，磁体310之间的间距限定孔隙315，或在某些实施例中其将施加的孔隙315的直径。本领域普通技术人员将了解，磁场强度与磁体310的强度和它们之间的距离成比例。另外，磁场320必须包含足够的场强度以有效地偏转带电粒子，然而，场强度不应太强以至于它影响电子束207或显著影响检测器220的操作，因
为如果场强度过高，则在检测器220内部迁移的带电粒子可能会受到磁场320的影响。例如，磁场320可以包含在约1000高斯-5000高斯范围内的磁场强度梯度(例如，从第二孔隙317到第一孔隙315)。然而，应了解，场强度取决于多种因素，如用于磁体310的材料的等级，因此所述实例不应被视为限制性的。
42.图4a提供了磁体310的基本上矩形构型的简化图形实例，其中磁体310的每个实施例倾斜以提供倾斜角，如上所述。然而，应了解，其他构型也被认为在所描述的发明的范围内。一个这类实例在图4b中被示为磁体410，其包含具有结合到构型中的倾斜角的几何结构。例如，磁体410不需要将其配置在带电粒子过滤器210内的特定位置。相反，磁体410可以被设计成适应任何位置，从而允许带电粒子210的设计自由。此外，如图4b所示，磁体410在第一孔隙315处基本上更厚(例如更宽)，因此相较于在具有更小厚度的第二孔隙317处，具有大的磁场强度。
43.图5a示出了如上所述的包括磁体310的带电粒子过滤器210的实施例的剖视图(例如，约一半)。图5a还示出了磁通环503，其包括为了所需倾斜角而正确定位磁体310的几何结构。在一些实施例中，磁通环503可以由钢或其他所需材料构成。例如，磁通环503可以由任何合适的铁磁性导磁材料构成，所述材料可以根据空间可用性、受磁场320影响的其他敏感物品的位置或其他因素而变化。在本实例中，具体材料可以包含烧结钴(250)或软钢(2,000)，但可以使用各种特殊等级的钢。
44.此外，图5a示出了填充磁体310之间的空间但不干扰孔313或孔隙315和317的插入件507。在一些实施例中，带电粒子过滤器210可以包含插入件507的多种实施方案，所述插入件可以由铝或其他所需材料构成。例如，插入件510应由非磁性或顺磁性材料构成。通常，用于插入件510的材料应包含轻元素以最小化x射线的产生，如铝或碳。
45.图5b示出了包括磁体510的带电粒子过滤器210的另一实施例的剖视图(例如约一半)，所述磁体包含包括倾斜角的表面的弯曲几何结构。在所描述的实施例中，多个磁体在孔313中形成具有倾斜角的基本上圆锥形表面。图5b所示的实施例可以包含或不包含类似于针对图5a所描述的插入件507的插入件元件，以及具有正确地定位磁体510的几何结构的磁通环513。
46.已描述各种实施例和实施方案，对于相关领域的技术人员来说应显而易见的是，前述内容仅为说明性的且并非限制性的，已仅借助于实例进行呈现。用于在所说明实施例的各种功能元件当中分配功能的许多其它方案是可能的。任何元件的功能可在替代实施例中以各种方式实行。