阴极射线发光电子显微镜制造技术

一种具有电子柱的扫描电子显微镜，该电子柱定位成将电子束引导到样品上，该电子柱具有：真空外壳；电子源；以及定位在真空外壳内的电磁物镜，该电磁物镜包括壳体，该壳体在其顶面具有入口孔径且在其底部具有出口孔径；径向定位在壳体内的电磁线圈；光物镜，其定位在壳体内并且包括具有第一轴向孔径的凹镜和具有第二轴向孔径的凸镜；电子束偏转器，其定位在壳体内并且包括第一组偏转器和定位在第一组偏转器下方的第二组偏转器，其中，第二组偏转器定位在第一轴向孔径下方，并且第一组偏转器定位在第二组偏转器上方。定位在第二组偏转器上方。定位在第二组偏转器上方。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】阴极射线发光电子显微镜
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年5月9日提交的序列号为62/845,722的美国临时申请的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。


[0003]本专利技术涉及包括电磁透镜的扫描电子显微镜。特别地，但不排他地，本专利技术涉及扫描阴极射线发光显微镜。本专利技术同样涉及测量装置和操作上述显微镜的方法。

技术介绍

[0004]与光学显微镜相反，电子显微镜是使用加速电子作为照明源的显微镜。由于电子的波长可以比可见光光子的波长短到最多达100,000分之一，因此电子显微镜具有比光学显微镜更高的分辨率，可以揭示更小的物体的结构。
[0005]扫描电子显微镜(SEM)是一种类型的电子显微镜，其通过用聚焦的电子束扫描样品来产生样品的图像。电子与样品中的原子相互作用，产生各种可检测的信号，其中包含有关样品表面形貌、结构和成分的信息。电子束通常以光栅扫描模式进行扫描，但也可以使用其他扫描技术，并且将电子束的位置与检测到的信号组合以产生图像。SEM可以达到优于1纳米的分辨率。SEM产生的信号类型包括二次电子(SE)、背散射电子(BSE)、特征X射线、光(阴极射线发光，CL)、样本电流和透射电子(TEM)。
[0006]样本在电子轰击时发射的光称为阴极射线发光。阴极射线发光测量可以在扫描电子显微镜中如此进行，即，使用电子显微镜的高度聚焦电子束探针在样本表面上扫描，并且记录作为电子束在样本上位置的函数的阴极射线发光信号强度。可以生成阴极射线发光图，其提供比通过光学显微镜获得的宽视场光致光学图像更高分辨率的光谱信息。
[0007]通常，电子显微镜的对准以二次电子模式进行。在这种模式下，在轰击样本时提取的电子(二次电子)强度被记录为电子探针位置的函数。二次电子图的对比度主要与样本的表面形态有关。二次电子图可以实时生成，且可用于最小化电子显微镜的探针大小。优选在探针大小被最小化之后，测量阴极射线发光图。
[0008]今天，大多数商业阴极射线发光测量解决方案是用于现有电子显微镜的第三方附件。它们至少由光收集装置和光检测器组成。图1示意性地说明了传统电子显微镜的一部分截面。用于重定向光束4的收集光学器件3的第一元件通常是抛物线型或椭圆形反射器(反射镜)，被插入在电子光学柱的最后一个电磁透镜5(称为电子物镜)和样品7(也称为样本7)之间。收集光学器件包括用于电子束9穿过它的中心孔。抛物线型反射器3的焦点与电子束在样品上的焦点重合。这种系统的缺点有三个：
[0009]首先，反射器3必须大，以保持良好的光学和机械性能，例如高反射率、良好的波前均匀性、大视场和良好的机械稳定性。反射器越大，工作距离越大，即，样品7与电子显微镜最后一个透镜5之间的距离越大。然而，电子光学器件在更短的工作距离(几毫米)内实现了更小的电子束探针。因此，必须在小电子束探针大小与阴极射线发光检测的良好光学和机
械性能之间找到折衷。
[0010]其次，反射器3屏蔽或阻挡用于提取二次电子的电场，从而妨碍二次电子的最佳收集。这降低了二次电子模式下的信噪比，使电子探针大小的优化更加困难，并且降低了可以实现的最佳空间分辨率。
[0011]第三，在普通阴极射线发光收集系统中使用的抛物线型/椭圆形反射器的视场限于几微米。视场对应于反射器焦点周围的区域，该区域可以在不损失光的情况下成像到检测器上。因此，为了在不损失光的情况下获得阴极射线发光图，样本必须非常精确地定位在焦点处，并且电子探针必须在反射器的视场内扫描样本。然而，很难将样本定位在反射器的焦点处，同时确保电子探针具有最佳大小并扫描正确的区域。需要进行繁琐的、经常性的对准，这只有在样品发出大量光时才可行。在实际操作中，这样的重复性工作无法正常进行，降低了收集效率。中大面积扫描(超过几微米)受到收集效率显着不均匀性(渐晕)的困扰，并且无法产生定量阴极射线发光图。
[0012]大多数上述问题可以通过使用包括一个凹镜、一个凸镜和一个平面镜的复合反射物镜来解决，如图2示意性所示。这是电子束探针显微镜领域的已知解决方案，其中反射物镜用于对样本表面成像。在大多数实施例中，使用了类卡塞格林(Cassegrain
‑
like)的反射物镜。类卡塞格林的反射物镜由两个球面镜组成，它们的位置使得它们比单个抛物线型镜或椭圆镜提供大得多的视场。大型凹球面镜M1放置在样本上方，以便它将来自样本的光反射到放置在样品和M1之间的小型凸面球面镜M2上。反射镜M2被布置为沿电磁物镜5的光轴重定向光，平面镜M3将光束重定向到输出。所有三个反射镜M1、M2和M3都有用于电子束路径穿过的孔，因此电子束不会受到阻碍。
[0013]类卡塞格林的反射物镜的工作距离大，可以安装在电子显微镜的电子物镜5内。视场显著大(通常为几百微米)，且该布置可用作光学显微镜的物镜。由于电子物镜下方没有反射镜，二次电子没有被屏蔽，工作距离可以根据需要尽可能短以达到高空间分辨率(小型电子探针大小)。
[0014]然而，该解决方案主要用于对用强光源照射的样品进行成像。它不适合测量每秒或每分钟仅发射少量光子的微弱阴极射线发光信号。因此，当今使用的反射物镜的数值孔径(NA)很低(通常低于0.3)，不适合在低光强条件下实现高收集效率。值得注意的是，尚未公开如何在扫描电子显微镜的电子物镜内嵌入高数值孔径反射物镜(NA>0.4)，同时保持扫描大样本区域的能力。
[0015]对于将光收集结合到粒子束柱中的系统的进一步公开，读者可参考第3,845,305号美国专利、第2013/0335817号和第2019/0103248号美国公开、以及第2173436号法国专利。这些公开试图解决的一个问题是如何在小区域中结合所有各种粒子和光用光学元件以实现短工作距离。例如，第2019/0103248号美国公开和法国专利FR 2173436将光学元件置于电磁元件下方。然而，这会导致相对较大的工作距离，由于电子束内的电子相互排斥而导致电子束扩展。

技术实现思路

[0016]为了提供对本专利技术的一些方面和特征的基本理解，在说明书中包括以下
技术实现思路
的概述。该概述不是对本专利技术的广泛概述，因此它不旨在具体确定本专利技术的重要或关键元
件或界定本专利技术的范围。其唯一目的是以简化形式呈现本专利技术的一些概念，作为下文呈现更详细描述的前序。
[0017]本专利技术的一个目的是克服上述与扫描电子显微镜相关的问题。特别地，本专利技术的目的是展示如何将高数值孔径反射物镜集成在扫描电子显微镜的电磁电子物镜中而不降低电子显微镜的性能，包括空间分辨率、视场等。
[0018]根据所公开的方面，提供了一种集成定量阴极射线发光扫描电子显微镜，其中，光用光学元件同轴定位在由电磁光学元件占据的空间内。
[0019]在公开的实施例中，收集镜定位在电子柱的电磁物镜内。每个收集镜都有中心孔径，使电子束能够穿过。束扫描元件也被放置在电磁物镜内。束扫描元件被放置在收集镜的“阴影”内，以免干扰光收集。在一些情况下，一些本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电磁物镜，包括：壳体，在其顶部表面有入口孔径，在其底部有出口孔径；径向定位在壳体内的电磁线圈；光收集光学元件，其定位在壳体内并且包括具有第一轴向孔径的凹镜和具有第二轴向孔径的凸镜；电子束偏转器，其定位在壳体内并且包括第一组偏转器和定位在第一组偏转器下方的第二组偏转器，其中，第二组偏转器定位在由假想锥限定的区域内，假想锥从第一轴向孔径延伸至电磁线圈的焦点。2.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，第二组偏转器至少部分地定位在第二轴向孔径内。3.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，第二组偏转器定位在凸镜下方。4.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，第二组偏转器定位在凸镜的阻碍锥内。5.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，第一组偏转器至少部分地定位在第一轴向孔径内。6.如权利要求5所述的电磁物镜，其中，第二组偏转器至少部分地定位在第二轴向孔径内。7.如权利要求5所述的电磁物镜，其中，第二组偏转器定位在凸镜下方。8.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，第一组偏转器和第二组偏转器中的每一个包括四极或八极中的一个。9.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，光收集光学元件包括Schwarzschild反射物镜。10.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，光收集光学元件包括消球差的且无限远校正的反射物镜。11.如权利要求1所述的电磁物镜，还包括定位在电磁物镜内的消像散器。12.如权利要求1所述的电磁物镜，还包括将凸镜机械地附接到凹镜的连接器。13.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，由光收集光学元件的焦点和凸镜的外径限定的立体角比由光收集光学元件的焦点和凹镜的外径限定的立体角小至少0.3球面度...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：阿托莱特股份公司，
类型：发明
国别省市：