CN103681186A

CN103681186A - 复合粒子光学透镜的使用方法

Info

Publication number: CN103681186A
Application number: CN201310405430.7A
Authority: CN
Inventors: P.斯塔; P.赫拉文卡; L.特马
Original assignee: FEI Co
Current assignee: FEI Co
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-09-09
Also published as: EP2706554A1; JP6239322B2; EP2706554B1; CN103681186B; US20140070098A1; US9490100B2; JP2014053306A

Abstract

一种用于扫描电子显微镜的复合物镜，所述透镜包括由第一透镜线圈激励的传统的磁透镜、由第二透镜线圈激励的浸没磁透镜以及由样品和静电透镜电极之间的电压差激励的浸没静电透镜和静电透镜电极。对于静电浸没透镜的预定激励，利用第一透镜线圈和第二透镜线圈的激励的若干组合，电子射束可在样品上聚焦。电子检测器定位成靠近样品处以检测反向散射电子（BSE）。发明人发现当例如通过将检测器形成为像素显示的检测器或显示环（205，206，207）的检测器，检测器能够区分靠近轴冲击检测器的BSE（202）和更远离轴冲击检测器的BSE（204）时，可获得更多BSE的信息。发明人还发现，通过调谐第一透镜线圈和第二透镜线圈的激励比率，到BSE冲击检测器的轴的距离可改变，因此复合透镜可被制成用作能量可选择的检测器。

Description

复合粒子光学透镜的使用方法

本发明涉及一种通过在样品上扫描带电粒子的精细聚焦射束在取样位置形成样品图像的方法，结果，反向散射电子从样品射出，通过检测反向散射电子形成图像，通过复合带电粒子透镜聚焦所述射束，复合透镜示出：

· 对称轴；

· 靠近取样位置的第一磁透镜磁极以及更加远离取样位置的第二磁透镜磁极；

· 用于在第一磁透镜磁极和第二磁透镜磁极之间生成聚焦磁场的第一线圈；

· 用于在第一磁透镜磁极和取样位置之间生成聚焦浸没磁场的第二透镜线圈；以及

· 具有中心孔的电极，中心孔用于使带电粒子射束通过透镜到达样品，电极用于通过在电极和样品之间施加电压差来在透镜和样品之间生成减速磁场；

复合透镜如此具有至少三个参数以确定复合透镜的聚焦强度；

复合透镜包括示出为具有中心孔的敏感表面的电子检测器，敏感表面与电极的一部分一致并电气地形成电极的一部分；

所述方法包括

· 激励复合透镜的浸没线圈、透镜线圈和减速电场以便

○ 精细聚焦射束聚焦在样品上；以及

○ 样品的电压差是预定电压差；

以及

· 检测冲击检测器上的反向散射电子，反向散射电子以选定角度α和选定能量E从样品射出，反向散射电子相对于复合透镜的对称轴以角度α离开样品，反向散射电子以能量E离开样品。

本发明也涉及一种装备为执行所述方法的复合带电粒子透镜。

此方法尤其从欧洲专利申请EP12165423中可知。上述专利申请公开了一种如形成扫描电子显微镜（SEM）镜筒（column）的一部分所陈述的透镜。安装在硅光电倍增管（SiPMT）上的闪烁体形式的检测器或其他类型的电子检测器，包括一个或多个光电二极管，安装在电极表面上并形成电极表面的一部分。

SEM镜筒包括以例如在200eV和30keV之间的可选能量产生电子射束的电子源、操作（聚焦、放大、缩小）电子射束的透镜、使射束偏转和定心（center）的偏转器以及在样品上聚焦射束的物镜。物镜例如可以是简单的磁透镜、样品浸没在磁场中的浸没透镜或此处所描述的复合透镜。对于本领域技术人员所知，这种复合透镜的优势例如为由于减速静电场在低能量处的改进的分辨率，由于浸没磁场改进的分辨率。然而，不是所有样品可以利用复合透镜的所有“模式”被观察：例如诸如老式录音带或录像带的可磁化样品在不改变样品磁性时不可在浸没磁场中被观察。

由于复合透镜具有确定透镜焦距的至少三个度，因此静电场、磁浸没场（由第一线圈的激励控制）和聚焦磁场（由第二线圈的激励控制）的若干组合可用于在样品上形成焦点。在很多情况下，静电场用于确定电子冲击样品的能量。尽管如此，一定范围的第一和第二线圈的激励组合可用于在合适的位置形成焦点。

当电子冲击样品时，形成次级辐射。最重要地形成次级电子（SE），以小于50eV的能量离开样品，并且形成反向散射电子（BSE），以超出50eV的能量离开样品。

假定复合透镜使用使冲击射束减速的静电场，则将静电场的方向定义为：SE加速至透镜且穿过电极上的孔。此为使用复合透镜的正常模式。

应该注意到SE可由电极和电子源之间的检测器检测。

BSE以从例如50eV上至等于冲击电子落在样品上的能量（例如10keV或更高）离开样品。BSE以相对于样品表面法线的角度α和能量E从样品射出。如本领域的技术人员所知，此角度和能量的统计分布是样品材料和射束能量的函数。

需要一种具有电子检测器的可构造的复合透镜，电子检测器给出BSE的能量和/或角度分布的信息。

为此，一种使用具有电子检测器的复合透镜的方法的特征在于

· 装备电子检测器以区分第一组和第二组的反向散射电子，第一组比第二组更靠近对称轴冲击检测器，来自第一组的反向散射电子与第二组的电子相比具有不同组合的α和E；以及

· 第一线圈和第二线圈的激励比率用于控制属于第一组的反向散射电子的部分和属于第二组的反向散射电子的部分，同时保持在样品上的聚焦。

本发明基于观察第一和第二线圈的激励的若干比率（或组合），每个比率导致射束在样品上聚焦。然而，不同的比率导致BSE在检测器上不同的径向分布。通过现在形成检测器以使检测器能够给出从检测的电子冲击检测器的轴的距离的信息，收集关于BSE的附加信息。

这优选通过装备具有两个或更多环形检测器区域（敏感区域）的检测器来实现。

然而，当来自这种检测器的数据可被处理为类似两个或更多环形区域的数据时，可使用诸如CMOS芯片等像素显示的检测器。

应该注意到，一些BSE将穿过检测器/电极表面的孔。这种电子可由电子源和检测器/电极之间的检测器检测。已知这种检测器，例如美国专利号为US6,646,261的检测器。

提及到检测器可以是半导体检测器，但也可为基于闪烁体的检测器，使用例如SiPMT或传统的PMT，具有或不具有光导器。

应该注意到Essers的德国专利申请公开No. DE198 45 329 A1描述了一种具有通过透镜的检测器的复合透镜。此专利申请与本发明的不同之处在于：其没有描述怎样区分冲击检测器不同部分的两组电子。即使当该专利申请的教导将与如在Shemesh的美国专利申请公开No. US2006/054814 A1中所描述的分段检测器的教导结合， Essers仍然没有描述用于生成浸没场和非浸没磁场的线圈的激励可用于控制两组电子的比率。

进一步注意到，Nakamura的美国专利申请公开No. US2003/0127595 A1描述了样品浸没在物镜磁场中的透射电子显微镜。检测器被置于使物镜放置在样品和检测器之间的位置。一个检测器用于反向散射电子，另一个用于次级电子。如技术人员所知，次级电子一般被定义为具有低于50eV的能量的电子并且反向散射电子具有高于50eV的能量。Nakamura没有描述改变由两个检测器检测的电子比率的方法。Nakamura也没有教导静电聚焦场的使用。因此Nakamura没有教导复合透镜，也没有教导改变由两个检测器检测的电子比率的方法。

前面已经更为概括地略述了本发明的特征和技术优势，以便可以更好地理解接下来的本发明的详细描述。以下将描述本发明的附加特征和优势。本领域的技术人员应该理解所披露的概念和特定实施例可容易被用作为用于修改或设计其他结构以实现本发明的相同目的的基础。本领域的技术人员还应该意识到这种等效的构造不背离所附权利要求限定的本发明。

为了更彻底地理解本发明及其优势，使用附图解释本发明，其中相同的附图标记表示相应的特征。

为此：

图1示意性地示出现有技术的复合透镜；

图2示意性地示出根据本发明的复合透镜的细节；以及

图3示意性地示出用于根据本发明的复合透镜的检测器。

图1示意性地示出现有技术的复合透镜。

图1示意性地示出带电粒子射束102绕着粒子-光学轴104行进并冲击样品100。样品安放在关于射束可移动的样品载体122。物镜包括具有两个极靴106和108的磁轭，极靴106和108导引由线圈110生成的磁场至射束附近区域。磁轭电气地接地。外极靴106还导引由线圈112生成的磁场至样品，如此生成浸没场。电极114形成为环绕射束的管体，止于面对样品的面116。绝缘体112使管体在磁轭内居中并电气地隔离两者。

应该注意到管体和面不需要为一体，或者甚至为一种材料。充当为一个电极的重要性在于各部分足够导电并互相电连接以形成一个电表面。

在面116上安装诸如YAP:Ce或YAG:Ce晶体等敏感表面。由闪烁体生成的光子用光子检测器检测。从图清晰可见，闪烁体应当形成为具有中心孔的盘。

应该注意到闪烁体盘优选涂覆铝的薄层（10-100nm），涂层形成导电层并且涂层反射光子，光子否则将朝样品方向从闪烁体射出。

第二带电粒子检测器120位于第二电极内的电场自由区。该第二检测器例如可以是固态电子检测器或包括闪烁体和光子检测器的检测器。

应该注意到磁导向板可放置在例如内磁轭和第二电极之间的区域118。

应该注意到敏感表面，代替如上所述的基于闪烁体的检测器，而也可以是基于半导体的检测器，例如，像素显示的CMOS检测器或分段光电检测器。

还应该注意到已知通过偏置样品至正向能量进一步使在第一电极106和取样位置间的射束减速。

当冲击样品时，初级电子引起次级辐射的发射，包括反向散射电子（BSE）和次级电子（SE）。从检测的角度看，两者之间的差别是SE通常定义为以小于50eV的能量从样品射出的电子，那些电子大多以小于5eV的能量从样品射出，而BSE以大于50eV的能量（高至初级射束的能量）从样品射出。在样品和第二电极之间的电场朝向面116的方向导引这些电子，并且电子冲出透镜进入磁浸没场。低能量的电子（所有SE和小部分的BSE）保持为非常接近轴以至于这些电子穿过面116的孔并进入第二电极内的场自由区。这些电子的大部分然后被检测器120检测。

具有大能量，例如超过80%的初级电子能量的能量的反向散射电子，受静电场和磁场的组合影响限制较小并冲击面116，进而冲击闪烁体，由此生成光子以便被光子检测器检测到。

由于样品和电极之间的电势差，BSE以若干keV的能量冲击闪烁体。利用图1所示的透镜，接地的样品和第一电极（和磁轭）和电极上将近+8kV的电势，获得85%的BSE的检测效率，这取决于工作距离（样品和第一极靴之间的距离）、着落能量和BSE能量（例如受样品和第一极靴之间的偏压的影响）。

图2示意性地示出根据本发明的复合透镜的细节。

图2示意性地示出样品100、透镜磁极106的尖端、电极114的末端，具有检测器和射束102。检测器现在分割成三个环形圈205、206和207。包括BSE 202的第一组BSE冲击圈205，包括BSE 203的第二组BSE冲击圈206并且包括BSE 204的第三组BSE冲击圈207。以此方式，在这种情况下，三组BSE可互相单独测量。三组具有α（相对于垂直于BSE从样品射出的样品表面的角度）和E（BSE从样品射出的能量）的不同组合。利用此检测器，可获得诸如材料对比等信息。

图3示意性地示出用于根据本发明的复合透镜中的检测器。

图3不仅示出敏感部分布置为环形分段的检测器。在中心孔208周围，布置有三个环形分段，即三个分段205-1…205-3，被第二组的分段206-1…206-3和第三组的分段207-1…207-3环绕，每组的分段形成一个环形。

此检测器不仅能够得到例如材料对比，还有正如本领域技术人员所清楚的那样，产生BSE在检测器环上的非圆对称分布拓扑对比的。

因此，总之：用于扫描电子显微镜的复合物镜，透镜包括由透镜线圈110激励的传统的磁透镜、由透镜线圈112激励的浸没磁透镜和由样品100和电极114之间的电压差激励的浸没静电透镜。对于静电浸没透镜的预定激励，利用线圈110和112的激励的若干组合，电子射束102可在样品上聚焦。

电子检测器（116）置于靠近样品（100）处以检测反向散射电子（BSE）。发明人发现当检测器能够区分靠近轴冲击检测器的BSE和更远离轴冲击检测器的BSE时，可获得更多BSE的信息。

发明人发现，通过调谐线圈110和112的激励比率，到BSE冲击检测器的轴的距离可改变，因此复合透镜可被制成用作能量可选择的检测器。

Claims

1. 一种通过在样品上扫描带电粒子的精细聚焦射束（102）在取样位置形成样品（100）的图像的方法，结果反向散射电子从样品射出，通过检测反向散射电子形成所述图像，通过复合带电粒子透镜聚焦所述射束，所述复合透镜示出：

· 对称轴（104）；

· 靠近所述取样位置的第一磁透镜磁极（106）以及更加远离所述取样位置的第二磁透镜磁极（108）；

· 用于在第一磁透镜磁极和第二磁透镜磁极之间生成聚焦磁场的第一线圈（110）；

· 用于在第一磁透镜磁极和所述取样位置之间生成聚焦浸没磁场的第二透镜线圈（112）；以及

· 具有中心孔的电极（114），所述中心孔用于使带电粒子射束通过透镜到达样品，所述电极用于通过在所述电极和所述样品之间施加电压差来在透镜和样品之间生成减速电场；

所述复合透镜如此具有至少三个参数以确定所述复合透镜的聚焦强度；

所述复合透镜包括示出为具有中心孔的敏感表面（116）的电子检测器，所述敏感表面与所述电极的一部分一致并电气地形成所述电极的一部分；

所述方法包括

· 激励所述复合透镜的浸没线圈、透镜线圈和减速电场以使

○ 精细聚焦射束聚焦在样品上；以及

○ 样品的电压差是预定电压差；

以及

· 检测冲击检测器的反向散射电子，反向散射电子以选定角度α和选定能量E从样品射出，反向散射电子相对于复合透镜的对称轴以角度α离开样品，反向散射电子以能量E离开样品；

其特征在于

· 装备电子检测器以区分第一组和第二组的反向散射电子，所述第一组比所述第二组更靠近对称轴冲击检测器，来自第一组的反向散射电子与第二组的电子相比具有不同组合的α和E；以及

2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述检测器是装备有两个或更多环形检测器区域的检测器，其中一个环形检测区域用于检测来自所述第一组的电子并且另一环形检测区域用于检测来自所述第二组的电子。

3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述检测器是像素显示的检测器，并且第一组像素的信号被组合以给出第一信号并且第二组像素的信号被组合以给出第二信号，所述第一信号与所述第一组的冲击电子的量成比例，并且所述第二信号与所述第二组的冲击电子的量成比例。

4. 根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，第二检测器定位成比与所述电极一致的检测器更远离所述取样位置，所述第二检测器给出与第三组的反向散射电子成比例的信号，所述第三组的反向散射电子穿过所述中心孔。

5. 一种复合带电粒子透镜，所述复合透镜示出

· 对称轴；

· 靠近取样位置的第一磁透镜磁极（104）以及更加远离所述取样位置的第二磁透镜磁极（106）；

· 用于在第一磁透镜磁极（104）和取样位置之间生成聚焦磁场的浸没线圈（108）；

· 用于在第一磁透镜磁极（104）和第二磁透镜磁极（106）之间生成聚焦磁场的透镜线圈（110）；

· 具有中心孔的电极（112），所述中心孔用于使带电粒子射束通过透镜到达样品，所述电极用于通过在所述电极和所述样品之间施加电压差来在透镜和样品之间生成减速电场；

所述复合透镜如此具有至少三个参数以确定复合透镜的聚焦强度；

所述复合透镜包括示出为具有中心孔的敏感表面（116）的电子检测器，所述敏感表面与电极一致；

其特征在于

· 装备电子检测器以区分来自第一组和第二组的冲击反向散射电子，所述第一组比所述第二组更靠近对称轴冲击。