纳米结构三维成像系统与方法技术方案

本发明专利技术属于三维成像技术领域，具体涉及一种纳米结构三维成像系统与方法，旨在解决成像仪器刻蚀慢、精度低、无法完成跨尺度大体积量刻蚀的问题；系统包括总控中心、真空舱体、电子枪、成像信号探测器、宽离子束源装置和激光测距仪组件；真空舱体的内部设有样品装载装置；宽离子束源装置的径向源与样品被刻蚀表面平行设置；激光测距仪组件包括用于测量与离子束遮挡板顶面距离的第一激光测距仪和用于测量与样品非刻蚀区域距离的第二激光测距仪，第一激光测距仪、第二激光测距仪并排放置且激光行进方向与宽离子束源装置行进方向垂直；本发明专利技术能实现跨尺度大体积量的刻蚀，刻蚀效率高、刻蚀精度高。蚀精度高。蚀精度高。

【技术实现步骤摘要】
纳米结构三维成像系统与方法


[0001]本专利技术属于三维成像
，具体涉及一种纳米结构三维成像系统与方法。

技术介绍

[0002]三维成像是极其重要的科研手段，在材料、半导体器件、地质等领域都有着广泛的应用，目的是获得各种材料的内部三维结构或成分。聚焦离子束
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扫描电镜、CT和核磁共振是常用的三维成像仪器。其中核磁用于材料成像分辨为几百微米；CT和聚焦离子束
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扫描电镜三维成像方法是层析三维重构，利用原有的二维成像手段辅以连续切片技术获取样品界面图像数据，再通过图像处理将系列图像数据二值化后重建三维结构模型。纳米CT最高分辨可达50
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100纳米，相应的能成像的圆柱样品直径减小至50
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100微米，聚焦离子束
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扫描电镜分辨率最高，可达几纳米，切片成像面积几十微米。聚焦离子束
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扫描电镜是双束系统，聚焦离子束用于逐层刻蚀样品获取成像截面，电子束用于采集每个切片的二维数据。场发射扫描电镜的二维图像分辨率高达1nm，因此三维成像分辨由垂向分辨率即聚焦离子束最薄刻蚀厚度决定。为了达到极高的刻蚀精度，离子束被聚焦到几十到几纳米，虽然刻蚀精度和离子刻蚀厚度得到了提高，但是如此细小的束流要完成较大体积的切割并通过电镜成像，时间需按周来计算，仪器无法如此长时间工作并保持稳定，因此，无法完成跨尺度大体积量的刻蚀。
[0003]为解决聚焦离子束刻蚀慢的问题，激光
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聚焦离子束
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扫描电镜三束系统被提出；但激光剥蚀对样品损伤极大，剥蚀精度为微米级，对这种粗糙度得表面电镜成像完全不能反映纳米结构真实情况。这种方式仅适合感兴趣区域（ROI）在样品内部时，通过激光剥蚀快速将样品的ROI暴露在表面，然后再通过聚焦离子束和扫描电镜配合对其中一小部分体积进行成像，仍然无法达到高精度跨尺度大体积的目的。
[0004]明显现有三维成像仪器虽然可以达到很高的空间分辨率，但三维重构区域有限的问题也十分突出，例如电池、页岩气储层等的微纳米多孔网络结构和分布在三维空间具有不规则性，小区域三维重构不具有代表性，研究难以形成统一有效认识。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中的成像仪器刻蚀慢、刻蚀精度低、无法完成跨尺度大体积量的刻蚀的问题，本专利技术提供了一种纳米结构三维成像系统与方法。
[0006]本专利技术的第一方面提供了一种纳米结构三维成像系统，该系统包括总控中心、真空舱体、样品装载装置、电子枪、成像信号探测器、宽离子束源装置和激光测距仪组件，所述电子枪、所述成像信号探测器、所述宽离子束源装置、所述激光测距仪组件均与所述总控中心信号连接。
[0007]所述真空舱体用于提供高真空环境；所述样品装载装置设置于所述真空舱体的内部；所述样品装载装置包括多轴运动台和样品装载台，所述样品装载台可拆卸地安装于所
述多轴运动台，以装载被测样品；所述多轴运动台设置于所述真空舱体的内部以调节所述样品装载台的空间位姿；所述电子枪设置于所述真空舱体的上方，用于轰击样品表面激发各类电子信号；所述成像信号探测器用于接收激发的各类电子信号，以获取样品表面图像信息；所述宽离子束源装置用于刻蚀样品；所述样品装载装置装载的样品处于所述宽离子束源装置的行进路径上，且所述宽离子束源装置的径向源与样品被刻蚀表面平行设置；所述激光测距仪组件包括第一激光测距仪和第二激光测距仪，所述第一激光测距仪用于测量与所述样品装载台中的离子束遮挡板顶面的距离，所述第二激光测距仪用于测量与样品非刻蚀区域的距离，所述第一激光测距仪、所述第二激光测距仪并排放置且激光行进方向垂直于所述宽离子束源装置的宽离子束行进方向。
[0008]在一些优选实施例中，所述多轴运动台包括第一底板、水平位置调节机构和U型台，所述U型台的底部具有与所述水平位置调节机构连接的连接部；所述第一底板设置于所述真空舱体的内底部，所述水平位置调节机构装设于所述第一底板的上部；所述水平位置调节机构用于调节所述U型台的水平横向、水平纵向的位置；所述U型台包括U型结构和芯轴，所述芯轴的两端分别与所述U型结构的两个侧壁可旋转连接，所述芯轴的侧壁设置有柱状结构，所述柱状结构与所述芯轴可转动设置，且所述柱状结构的中心轴线与所述芯轴的中心轴线垂直设置；所述柱状结构的端部开设有凹槽。
[0009]所述样品装载台包括第二底板、第一方向调节装置、纳米位移机构、样品保持机构和离子束遮挡机构，所述第二底板的底部具有与所述凹槽匹配的凸起，以与所述柱状结构固定连接；所述第一方向调节装置设置于所述第二底板的顶部；所述纳米位移机构设置于所述第一方向调节装置的上方，所述第一方向调节装置用于调节所述纳米位移机构在第一平面的位置；所述样品保持机构设置于所述纳米位移机构的侧壁，所述离子束遮挡机构设置于所述样品保持机构的外侧；所述样品保持机构用于夹持样品；所述离子束遮挡机构用于调节样品待刻蚀的区域。
[0010]在一些优选实施例中，所述样品保持机构包括平行设置的第一夹板和第二夹板，所述第一夹板远离所述纳米位移机构的侧壁设置，所述第二夹板设置于远离所述宽离子束源装置的一侧。
[0011]所述第一夹板的高度低于所述第二夹板的高度。
[0012]所述第一夹板的顶部设置为与所述离子束遮挡机构匹配的楔形结构。
[0013]所述第二夹板远离所述第一夹板的一侧通过样品高度粗调节结构与所述纳米位移机构连接；所述样品高度粗调节结构用于调节样品高度。
[0014]在一些优选实施例中，所述离子束遮挡机构包括离子束遮挡板和遮挡板支架，所述遮挡板支架的一端与所述离子束遮挡板连接，另一端与所述第二底板连接；所述离子束遮挡板远离所述遮挡板支架的一侧与所述楔形结构平行设置。
[0015]在一些优选实施例中，该系统还包括污染隔离罩，所述污染隔离罩套设于所述电子枪的端部外侧设置；所述污染隔离罩为倒梯形设置，且所述污染隔离罩与所述宽离子束源装置、所述激光测距仪组件互不干涉；所述污染隔离罩的底部开设有贯穿孔以及用于遮蔽所述贯穿孔的自动开关遮挡板，所述自动开关遮挡板与所述总控中心信号连接。
[0016]所述样品装载台装载的样品平面处于所述电子枪的覆盖区域；样品平面与所述电子枪的作用径向的夹角为，。
[0017]所述宽离子束源装置的轴心、所述第一激光测距仪的轴心与所述电子枪的轴心位于同一平面内；所述激光测距仪组件和所述宽离子束源装置呈第一预设夹角分立于所述电子枪的两侧。
[0018]在一些优选实施例中，所述自动开关遮挡板与所述总控中心信号连接，以在所述总控中心的控制下开启采集刻蚀后的样品图像。
[0019]在工作过程中，所述总控中心基于样品类型控制所述真空舱体提供所需环境，基于所述宽离子束源装置、所述激光测距仪组件的空间位姿控制所述多轴运动台带动所述样品装载台移动至预设空间位置，所述宽离子束源装置对样品进行刻蚀，所述第一激光测距仪、所述第二激光测距本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米结构三维成像系统，其特征在于，该系统包括总控中心、真空舱体、样品装载装置、电子枪、成像信号探测器、宽离子束源装置和激光测距仪组件，所述电子枪、所述成像信号探测器、所述宽离子束源装置、所述激光测距仪组件均与所述总控中心信号连接；所述真空舱体用于提供高真空环境；所述样品装载装置设置于所述真空舱体的内部；所述样品装载装置包括多轴运动台和样品装载台，所述样品装载台可拆卸地安装于所述多轴运动台，以装载被测样品；所述多轴运动台设置于所述真空舱体的内部以调节所述样品装载台的空间位姿；所述电子枪设置于所述真空舱体的上方，用于轰击样品表面激发各类电子信号；所述成像信号探测器用于接收激发的各类电子信号，以获取样品表面图像信息；所述宽离子束源装置用于刻蚀样品；所述样品装载装置装载的样品处于所述宽离子束源装置的行进路径上，且所述宽离子束源装置的径向源与样品被刻蚀表面平行设置；所述激光测距仪组件包括第一激光测距仪和第二激光测距仪，所述第一激光测距仪用于测量与所述样品装载台中的离子束遮挡板顶面的距离，所述第二激光测距仪用于测量与样品非刻蚀区域的距离，所述第一激光测距仪、所述第二激光测距仪并排放置且激光行进方向垂直于所述宽离子束源装置的宽离子束行进方向。2.根据权利要求1所述的纳米结构三维成像系统，其特征在于，所述多轴运动台包括第一底板、水平位置调节机构和U型台，所述U型台的底部具有与所述水平位置调节机构连接的连接部；所述第一底板设置于所述真空舱体的内底部，所述水平位置调节机构装设于所述第一底板的上部；所述水平位置调节机构用于调节所述U型台的水平横向、水平纵向的位置；所述U型台包括U型结构和芯轴，所述芯轴的两端分别与所述U型结构的两个侧壁可旋转连接，所述芯轴的侧壁设置有柱状结构，所述柱状结构与所述芯轴可转动设置，且所述柱状结构的中心轴线与所述芯轴的中心轴线垂直设置；所述柱状结构的端部开设有凹槽；所述样品装载台包括第二底板、第一方向调节装置、纳米位移机构、样品保持机构和离子束遮挡机构，所述第二底板的底部具有与所述凹槽匹配的凸起，以与所述柱状结构固定连接；所述第一方向调节装置设置于所述第二底板的顶部；所述纳米位移机构设置于所述第一方向调节装置的上方，所述第一方向调节装置用于调节所述纳米位移机构在第一平面的位置；所述样品保持机构设置于所述纳米位移机构的侧壁，所述离子束遮挡机构设置于所述样品保持机构的外侧；所述样品保持机构用于夹持样品；所述离子束遮挡机构用于调节样品待刻蚀的区域。3.根据权利要求2所述的纳米结构三维成像系统，其特征在于，所述样品保持机构包括平行设置的第一夹板和第二夹板，所述第一夹板远离所述纳米位移机构的侧壁设置，所述第二夹板设置于远离所述宽离子束源装置的一侧；所述第一夹板的高度低于所述第二夹板的高度；所述第一夹板的顶部设置为与所述离子束遮挡机构匹配的楔形结构；所述第二夹板远离所述第一夹板的一侧通过样品高度粗调节结构与所述纳米位移机构连接；所述样品高度粗调节结构用于调节样品高度。4.根据权利要求3所述的纳米结构三维成像系统，其特征在于，所述离子束遮挡机构包括离子束遮挡板和遮挡板支架，所述遮挡板支架的一端与所述离子束遮挡板连接，另一端与所述第二底板连接；所述离子束遮挡板远离所述遮挡板支架的一侧与所述楔形结构平行设置。
5.根据权利要求4所述的纳米结构三维成像系统，其特征在于，该系统还包括污染隔离罩，所述污染隔离罩套设于所述电子枪的端部外侧设置；所述污染隔离罩为倒梯形设置，且所述污染隔离罩与所述宽离子束源装置、所述激光测距仪组件互不干涉；所述污染隔离罩的底部开设有贯穿孔以及用于遮蔽所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜忠明，杨继进，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：