CN101241026A - 用于同时利用粒子和光子来观察试样的粒子-光学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种粒子－光学装置，例如ESEM，用于同时通过粒子和光子来观察试样。压力限制装置(PLA)布置在ESEM的物镜和试样位置之间的隔膜中。试样位置与孔之间的距离足够小，以便使较大收集角的光子通过该孔。镜布置在隔膜和物镜之间。由于光子的较大收集角，可以获得极大NA。在试样位置和孔之间的较小距离还导致电子的散射比在ESEM(其中，镜布置在孔和试样位置之间)中产生的更少，因为电子只需要在高压区域中通过有限长度。实施例介绍了使用例如浸没透镜时的组合。

Description

用于同时利用粒子和光子来观察试样的粒子-光学装置
技术领域
本发明涉及一种粒子-光学装置，它包括：真空腔室；粒子-光学柱，该粒子-光学柱安装在真空腔室上，用于产生围绕粒子-光学轴线的粒子束，所述粒子-光学柱包括粒子源；试样载体，该试样载体位于真空腔室中，用于将试样承载在试样位置，所述试样位置位于粒子-光学轴线上；镜，该镜收集从试样位置发出的光，或者将光聚焦在试样位置上，所述镜具有围绕粒子-光学轴线的通孔；以及抽空装置，用于将该装置抽空。
本发明还涉及一套用于升级现有装置的工具，还涉及一种使用这样的装置的方法。
背景技术
这样的装置由美国专利No.US6885445B2已知。
这样的装置用于工业和研究中，例如用于分析和改造试样，该试样诸如是从半导体晶片获取的试样，或者例如生物试样。
这样的装置可以用来利用粒子束(例如电子或离子束)来照射试样。产生该射束的离子-光学柱本身是已知的，可用于电子扫描显微镜(SEM)、聚焦离子束装置(FIB)、扫描透射式电子显微镜(STEM)、电子微探针等。
如本领域技术人员已知，通过用精细聚焦粒子束(例如电子束)照射试样可以获得图像，该粒子束在试样上扫描。该照射引起从试样上发出的次级粒子和辐射，该次级粒子和辐射可以由合适的检测器来检测。当将射束精细聚焦在试样上并扫描时，由检测器检测的信号是与位置相关的。该信号可以通过将其置于计算机存储器中而转换成图像，然后，该存储器的数据可以在显示器上显示。还可以对计算机存储器中的数据进行某些分析，并显示这些分析结果。
对于某些用途，需要用光束照射布置在这种装置中的试样，例如用于引起加热或引起试样中的化学变化。
在其它情况下，需要检测由试样发出的光，例如响应于粒子束的照射(阴极发光)，或者响应于光的照射(例如拉曼光谱术、FRET(荧光共振能量传递)或FLIM(荧光寿命成像))。
在这两种情况下，用粒子束照射试样，同时在试样与例如光检测器或发生器之间必须存在光通路。还可以设想这样的技术，其中，试样同时由光照射，且由试样发出的光子被分析/检测，其中，使用例如分束器来分开进入和离开光子的通路。
这些已知装置包括具有粒子-光学轴线的粒子-光学柱。试样可以定位在处于粒子-光学轴线处的试样位置。镜布置在粒子-光学柱和试样位置之间。该镜有通孔，供粒子束通过。在镜之间，光-光学轴线和粒子-光学轴线重合。该镜(例如抛物面镜)使得光-光学轴线偏转一定角度，例如90°，同时保持粒子-光学轴线不变。因此，例如光-光学检测器和/或光的发生器(例如激光器、LED或普通灯)并不与由粒子-光学柱和相关检测器(例如次级粒子检测器或X射线检测器)所占据的容积干涉。当使用该装置来用于例如拉曼光谱术时，由该镜确定的光通路的数值孔径必须较大，因为信号相当弱。
如本领域技术人员已知，带电粒子在穿过(稀薄)气体时很容易散射。因此，带电粒子在粒子-光学柱中运行所通过的容积通常被抽空至压力低于例如10-4mbar，以避免散射。
在这样低压下产生的问题是试样脱水，从而导致矫作物(artefact)。显然，当试样置于存在水蒸汽的真空中时将不会产生该效应，至少不会到这种程度。这意味着真空的压力等于或超过水蒸汽的平衡压力。
还已知这样的仪器，其中，试样在例如8mbar(是水在4℃时的平衡压力)的真空中观察。这样的仪器通常称为环境扫描电子显微镜(ESEM)或可变压力扫描电子显微镜(VP-SEM)。
这种仪器的已知局限是很多粒子从主粒子束向外散射至所谓的裙区域。这在“Electron Scattering by gas in the scanning electronmicroscope”(D.A.Moncrieff等，J.Phys.D：Appl.Phys.Vol.12(1979)，P481-488)中介绍，下文中称为Moncrieff。Moncrieff在部分4(讨论和结论)中介绍到，在电子束能量为25keV、1mbar压力的氮气、且工作距离为15mm的情况下，60％的电子从射束向外散射。这意味着只有40％的粒子到达预定位置。
Moncrieff的图5表示了在压力为10mbar且工作距离为大约4mm的情况下，超过90％的粒子很容易散射。在“The beam-gas and signal-gasinteractions in the variable pressure scanning electronmicroscope”(C.Mathieu，Scanning Microscopy，Vol.13，No.1(1999)，23-24页)中介绍的随后研究表明，散射效果在较低射束能量下甚至更严重。
“X-ray microanalysis in the variable pressure(environmental)scanning electron microscope”(D.E.Newbury，J.Res.Natl.Inst.Stand.Techn.，Vol 107(2002)，567-603页，下文中称为Newbury)介绍，所检测的信号(在这里由X射线检测器检测)是由未散射粒子引起的信号和由散射粒子引起的信号的组合。当散射粒子能够在离开预定位置(未散射粒子束的焦点)的裙区域撞上试样时，信号由未散射粒子(承载关于预定位置的信息)和散射粒子(承载关于裙区域的信息)两者来产生。因此，由散射粒子引起的信号“污染”了由未散射粒子引起的信号，这可能产生矫作物，即表示在预定位置存在材料，而这些材料实际上并不存在于该位置，而是在裙区域中的某处。当散射粒子的比例升高时，该效应更强。
尽管Newbury介绍了用于X射线微分析的该效果，但是应当知道，当检测来自试样的光子时(例如检测来自试样的阴极发光)，也会产生该效应。
如Newbury中所述(572页，左栏)，相关问题是降低了用例如次级粒子检测器获得的信号的信噪比S/N。这可以解释如下：与散射部分中的流密度相比，射束在未散射部分中的流密度较高。未散射粒子产生具有很高空间分辨率的信号，而散射粒子产生的信号的空间分辨率低得多，因为裙区域大得多。因此，即使当大部分粒子散射时，组合信号的位置相关性也足够获得分辨率。不过，当射束的未散射部分中的可用粒子越来越少时，由该部分射束引起的信号将因此降低。这样，S/N也降低。
散射的效果并没有在US6885445B2中讨论。
市场上用于与ESEM结合进行例如拉曼光谱术、荧光显微(FM)、荧光共振能量传递(FRET)或荧光寿命成像(FLIM)的粒子系统通常使用镜与试样位置之间的大约10mm的距离，由于镜的实际尺寸较小，同时获得较大的光收集角度(较高数值孔径N.A.，例如N.A.＞0.24)。在8mbar的压力下，25kV粒子束中超过90％的粒子将从射束向外散射至裙区域中(见Moncrieff，图5)。这样，大部分检测信号来自裙区域，而并不是来自预定焦点。这将大大降低由粒子-光学柱获得的信号的S/N比例，还将使得大部分信号来自试样的裙区域，而不是来自预定区域(未散射射束的焦点)。
这种系统的缺点是在例如8mbar的较高压力下粒子从粒子束散射的问题。
因此，需要在US6885445B2中所示类型的粒子-光学装置，它具有粒子束在升高压力下的较低粒子散射。
发明内容
本发明的目的是提供这样一种装置。
因此，本发明装置的特征在于：隔膜布置在试样位置和镜之间，所述隔膜将第一容积与第二容积分开，该试样位置位于该第一容积中，所述隔膜具有围绕粒子-光学轴线的孔，用于由粒子-光学柱产生的粒子通过且用于该镜与该试样位置之间的光通过，该孔将从第一容积流向第二容积的气流限制为这样的值，即，当在试样位置处的压力是流体平衡压力，且平衡压力大于1mbar时，该抽空装置可以将第二容积抽空至足够低的压力，以便当与第一容积中的散射比较时可以忽略粒子束在第二容积中的散射，且该孔与该试样位置之间的距离可以调节成或固定成小于孔的直径的四倍，优选是小于该孔的直径的两倍。
通过在试样位置与镜之间布置隔膜，可以使第一容积和第二容积中有不同压力。该孔限制了气流，使得该泵吸装置可以将第二容积抽空至这样的值，即，粒子束在该容积中的散射可忽略。在前述ESEM中，这通过使孔的直径例如小于1mm来实现。更大直径的该孔将使得气流太大，以致于不能通过通常用于该装置的抽空装置来抽空，这些抽空装置诸如是油扩散泵、旋转泵、涡轮分子泵、隔膜泵、牵引泵等。
只有在试样位置与孔之间的区域，粒子才遇到足够高的压力，以引起显著散射。不过，由于粒子必须通过该高压的长度较小，因此散射是有限的，因为散射取决于粒子经过气体运行的长度。还有，该裙区域的直径有限，因为平均来说，散射发生在更靠近试样表面处，从而导致(在给定散射角度下)散射粒子撞上的位置与未散射粒子撞上的位置之间的距离更小。
应当知道，选择该孔的直径小于1mm的另一原因是，当从试样位置开始从第一容积穿过该孔运行至第二容积时，气压的变化并不是突然变化，而是在大约一个直径的长度上发生变化。因此，超过大约该长度时，压力已经足够高到造成粒子束的显著散射。
还应当知道，试样最好布置在距离该孔这样的距离处，即，在该处，压力不会与第一容积中的其它位置处的压力相差太大，以避免例如脱水。如果试样布置成太靠近孔，直接靠近该孔处的压力将低于其它位置的压力，并可能导致脱水，即使当第一容积中的压力控制成例如存在水蒸汽。根据经验，试样最好布置在距离大于该孔的直径的大约一半的位置处。
即使当孔具有相当小的直径时，例如1mm，当试样位置与孔之间的距离足够小时，也可以收集来自试样且穿过该孔的光。为了获得较高数值孔径N.A.，例如N.A.＞0.24，需要使试样位置与孔之间的距离小于该孔的直径的两倍。这时，该镜可以布置在孔和粒子源之间，这为镜提供了充分空间，且该镜的尺寸可以很容易实现。
应当知道，对于很多用途，小于0.1的数值孔径将不可接受。因此，距离小于该孔的直径的四倍(优选是小于两倍)是本发明装置的特征。距离为孔直径的大约1至2倍似乎是“良好点”，从而在数值孔径NA与试样位置处的良好压力预测之间获得良好的匹配。不过，当需要稍微更大距离时(例如由于试样的形状，以避免试样与隔膜接触，或者例如当需要使粒子-光学柱有更大的视野，或者为了使检测人员能够观察试样)，大于孔的直径的两倍的距离，在孔的直径的两倍和四倍之间也为优选的。
应当知道，如前所述，在SEM中这样限制气流是已知的。在美国专利No.US4823006B2中介绍的原理用于例如环境扫描电子显微镜(ESEM)中，该显微镜可从美国Hillsboro市的FEI公司获得。专利US4823006B2介绍了将低真空区域(等效于容积1)和高真空区域(等效于容积2)分开的孔，其中，该孔限制这两个区域之间的气流，从而使得真空泵能够实现足够低的压力，以便能够忽略电子在高真空区域中的散射，同时，另一侧处于例如20mbar的压力下(水在室温下的平衡压力)。根据US4823006，该孔的直径优选是在50μm和1mm之间。典型值为0.2mm或者更小，以便实现足够的气体节流。
还可以设想将US4823006B2的装置与US6885445B2的结构组合。不过，US6885445B2的镜的引入将使得试样位置与该孔(该孔将高真空和低真空区域分开)之间的距离增大。该增大的距离又将增加射束的散射。
一种改进是将US4823006中所述的孔安装在US6885445的镜中。不过，待检测的试样或者安装其的安装件通常在与粒子-光学轴线垂直的平面中延伸。然后，在一个端部处的(凹面)镜朝着试样或其安装件弯曲。为了能够在镜和试样之间有一些间隙，孔和试样位置之间的距离将大于孔直径的两倍(通常小于大约0.2mm直径的两倍)，因此仍然形成较长通路(粒子束在该通路中散射)，且具有比本发明装置更多的散射。
还应当知道，由美国专利No.US7045791B2中已知一种仪器。在所述仪器中，粒子-光学柱包括在试样位置附近的、对于光是透明的隔膜。该透明隔膜表示了具有孔的电极，粒子束能够通过该孔。该透明隔膜布置在试样位置和镜之间，该镜具有供粒子束通过的通孔。这里，光学通路与穿过该透明隔膜的粒子-光学轴线同轴，光的光学通路将通过所述镜或其它光-光学元件而偏离该粒子-光学轴线。因此，该仪器的特征在于粒子-光学柱的粒子有穿过该孔的通路，而光具有穿过透明隔膜的通路，该通路处于形成有该孔的电极的外部。
US7045791B2并没有公开在孔和试样位置之间的最小距离，也没有公开该孔的直径。
可以设想使用该孔作为限制气流的孔，并使得试样位置和孔之间的距离选择为足够小，以便减小散射，例如距离小于该孔的直径的两倍，从而获得与本发明相当的方案。不过，在这种情况下，立体角(在该立体角下看见环绕孔形成的透明隔膜)被严重限制，从而在光通路中产生较差的数值孔径N.A.，因此从光-光学观点来看是较差的方案。
在该装置实施例中，该孔的直径小于1mm，特别是小于300μm。
如前所述，该孔的直径需要足够小，以便限制气体从第一容积流向第二容积。美国专利No.US4823006B2介绍了孔的直径小于1mm，通常为200μm。
在本发明装置的另一实施例中，当第一容积中的压力高于大约6mbar时，该抽空装置可以将第二容积抽空至足够低的压力，以便可以忽略粒子束的散射。
利用抽空装置诸如用于电子显微镜中的真空泵(油扩散泵、旋转泵、涡轮分子泵、隔膜泵、牵引泵等)，可以获得足够的泵吸，以便将第二容积抽空至例如0.1mbar的压力，与在第一容积中产生的散射相比，在该压力下的散射大大降低或可以忽略。因为水在0℃时的平衡压力为大约6mbar，因此，等于或超过该压力的压力能够用于观察和/或分析湿试样。
在本发明装置的还一实施例中，该装置还包括带电粒子检测器，所述检测器位于隔膜的、与试样位置相反的一侧(在第二容积中)。
这样的检测器可以用于检测从试样发出的离子或电子。这种检测器是公知的，例如Everhart-Thornley检测器。通过将检测器布置在第二容积中，不需要在试样位置和隔膜之间有额外距离。由于较大接受角(在该角度下，从试样位置可看见该孔，该较大接受角对于高数值孔径N.A.来说是必要的)，带电粒子可以很容易从试样位置被抽取至第二容积，例如通过电场(该电场存在于孔的、与试样位置相反的一侧，并突出该孔)。
在本发明装置的还一实施例中，该装置还包括带电粒子检测器，所述检测器位于第一容积中。
某些带电粒子检测器(例如固态反向散射电子检测器)可以很容易地安装在隔膜下面。这样的检测器例如为薄P-I-N二极管。还有，其它类型的检测器(例如X射线检测器)可以安装在第一容积中。
在本发明装置的还一实施例中，该装置还包括带电粒子检测器，所述隔膜是该带电粒子检测器的一部分。
该隔膜可以是带电粒子检测器的一部分，例如当孔形成于P-I-N二极管中，且该二极管是该隔膜(的一部分)时。
在本发明装置的还一实施例中，该装置还包括光子检测器。
这种用于检测由试样发出的光的光子检测器可以用来检测阴极发光。该检测器例如为拉曼光谱仪的一部分。该光子检测器还可以用于检测来自荧光标签的辐射(如在例如生物标记中那样)，其中，所述标记附着在生物组织的特定结构上。荧光可以通过由光照射而引起，也可以通过用粒子束照射而引起。
在本发明装置的还一实施例中，该装置装备有光阻挡件，所述光阻挡件具有用于光通过的孔，该镜将该试样位置成像在该孔上，这样，除试样位置之外的其它位置发出的光不会对由光子检测器检测的光量产生显著贡献。
通过将试样位置成像在该孔上，从试样位置发出的光可以无阻碍地通过该孔。在其它位置产生的光(杂散光)在大部分情况下将不会成像在该孔上，并因此将由光阻挡件阻挡。该成像方法由共焦显微术可知。这些“虚光(false)”可能是例如由于带电粒子与气体分子相互作用(非弹性碰撞)而产生的光，但是它也可以是例如来自真空腔室内某处热点的红外辐射形式的光，或者例如是从安装在真空腔室中的位置测量装置中的LED发出的光。还有，来自试样其它部分的光也可以由光阻挡件阻挡。
在本发明装置的另一实施例中，该装置装备有气体注入器，所述气体注入器允许气体或蒸汽进入该真空腔室。
允许压力在例如1mbar与例如10mbar之间的气体进入有应用于，例如，将材料沉积在试样上或者用带电粒子束从试样上蚀刻材料。
在本发明装置的还一实施例中，该隔膜具有指向试样位置的、成截头锥形形状的凸起，且该孔形成于该锥体的、最靠近试样位置的端部中。
该凸起使得该孔能够布置成靠近试样位置，同时例如使试样能够倾斜，或者能够分析试样的凹形部分，而不会使试样部分与隔膜接触。
在本发明装置的还一实施例中，该光由以下组的光子形成：红外线、可见光、紫外线和X射线光子。
在本发明装置的还一实施例中，粒子-光学透镜的极靴位于试样位置与镜之间。
粒子-光学透镜(例如磁或静电透镜)包括所谓的极靴，从而引导用于该透镜的磁场和/或电场。这样的极靴通常为旋转对称的金属部件。在本实施例中，该极靴布置在镜和试样位置之间，这意味着该镜位于该粒子-光学柱内。
该实施例意味着该镜布置在粒子-光学柱内部。
在本发明装置的还一实施例中，该极靴为隔膜。
当该粒子-光学柱装备有例如通气管透镜(snorkel lens)时，该实施例特别有利。如本领域技术人员已知，通气管透镜使用靠近试样位置的极靴。
在本发明装置的还一实施例中，该镜位于粒子-光学柱和孔之间。
在本发明的一个方面，一种操作粒子-光学装置的方法包括：提供根据前述任意一个权利要求所述的装置；将试样安装在试样位置；将第一容积抽空至1-50mbar之间的压力；将第二容积抽空至低于0.1mbar的压力，特别是至低于0.01mbar的压力；将该试样与该孔之间的距离调节成小于该孔的直径的两倍的距离；使粒子束通过该孔，并使光子束通过该孔。
在本发明方法的还一实施例中，该光子束由试样发出。
在本发明方法的另一实施例中，该光子束聚焦在试样上。
在本发明方法的还一实施例中，该第一容积被抽空至低于20mbar的压力，特别是至低于10mbar的压力。
在本发明方法的还一实施例中，该第一容积被抽空至高于6mbar的压力。
6mbar是水在其凝固点处的平衡压力。
附图说明
下面将借助附图来介绍本发明，附图中，相同标号表示相同特征。
图1表示了本发明第一实施例的装置；
图2表示了本发明另一实施例，其中，第二容积形成为管；
图3表示了本发明装置的实施例，其中，光阻挡件存在于光学通路中；以及
图4表示了本发明装置的优选实施例，其中，极靴位于镜和试样位置之间。
具体实施方式
图1表示了本发明第一实施例的装置。它表示了真空腔室100，粒子光学柱102布置在该真空腔室100上。该粒子-光学柱包括粒子源104和粒子-光学透镜108，该粒子源104围绕粒子-光学轴线106发射粒子。如本领域技术人员已知，该柱还可以包括其它粒子-光学透镜、偏转器、多极件(multipole)等。
应当知道，尽管图1表示了有两个透镜的柱，但是具有一个、三个或更多透镜的柱也是已知的。
该柱可以通过抽空装置(未示出)来抽真空，该抽空装置诸如是油扩散泵、旋转泵、涡轮分子泵、隔膜泵、牵引泵等以及它们的组合。
试样载体110布置在真空腔室中，试样112可以布置在该试样载体110上。该试样载体设置成相对于该光学轴线来定位该试样，包括沿着该光学轴线定位。通常，这样的试样载体也可以倾斜和/或使试样相对于光学轴线旋转。
隔膜118将该真空腔室分成两个容积122、124，第一容积122被抽空至例如5mbar的压力；而第二容积124的压力被抽空成压力低于例如0.1mbar，在该压力下，从粒子源向试样行进的粒子束产生的散射可以忽略。该隔膜表示了孔120，该孔120足够小，以便将气流限制为这样的值，即在第二容积中可以保持例如0.1mbar的压力。第一容积124可以用由真空控制器151控制的真空泵150来抽空，使得该压力为所需压力。应当知道，还可以调节进入真空腔室的流体(例如水蒸汽)的量，从而调节真空腔室100中的压力(假定泵150的泵吸能力有限)。第二容积122可以有类似的泵吸装置，但是其被抽空至更低的压力。用于抽空该第一和第二容积以及柱的多个机构已经用于ESEM中，并为本领域技术人员已知。
隔膜118装备有凸出的锥体132。这就有可能使用并非扁平的试样，或者使试样倾斜(通过倾斜试样载体)，而不会使试样与隔膜接触。
在第二容积122中，镜114定位成环绕粒子-光学轴线106。该镜表示了通孔116，粒子能够从粒子源104通过该通孔而向试样行进。在镜和试样之间，该粒子-光学轴线和光-光学轴线重合。从该试样看上去，该镜使得该光-光学轴线偏转离开该粒子-光学轴线。
该第二容积还容纳检测器126，用于检测从该试样发出的次级粒子，例如次级电子。
该真空腔室100装备有气密密封的光学透明窗口200，从而使得来自试样的光能够借助于该镜而进入位于模块202中的检测器，或者相反，来自位于模块202中的光源的光束130能够照射该试样。
应当知道，还可以将模块202定位在该真空腔室的内部，或者使该窗口形成为通孔(假定该模块的壳体被气密密封)，从而使该模块的内部暴露于真空中。
在工作时，粒子源104产生粒子束，该粒子例如是能量为例如0.1-30keV的电子或离子。如本领域技术人员已知的那样，该射束可以借助于粒子-光学透镜108而聚焦在试样上，并可以借助于偏转器(未示出)在试样的表面上进行扫描，用磁场或电场来操纵该射束。由粒子束对试样的照射将产生次级辐射，例如次级电子、反向散射电子、离子、X射线光子。次级电子和离子可以用合适检测器来检测，例如检测器126，它可以是Everhart-Thornley类型。还有，X射线检测器也为本领域技术人员公知。来自试样的光由镜114来收集，并被偏转至装于模块202中的光子检测器。为此，该镜优选是抛物面镜或者椭圆镜，对粒子撞击试样的位置进行成像，使得从该位置发出的光子撞击该光子检测器。
孔120与试样之间的压力(例如6mbar)很高，以致于粒子束产生一些散射。不过，通过使得孔和试样之间的距离选择为较小，散射的影响有限。因此，由检测器收集的大部分信息(它是次级粒子、X射线或光)将在该粒子束的焦点中找到其起源。该试样与该孔之间的距离可以通过沿该粒子-光学轴线定位该试样载体110而调节至所需的较小值。
所获得的较小距离也意味着光-光学通路的开角表示了相对较大的数值孔径，从而导致高效收集来自试样的光子。
还可以聚焦来自模块202的光子，该光子例如由激光器产生，从而加热该试样，或者以其它方式引起例如化学或物理变化。
图2表示了本发明的另一实施例，其中，第二容积形成为管。
图2可以认为是来源于图1。不过，在这里，第二容积形成为管160，该管160布置成与该粒子-光学轴线106成一定角度(这里，管160表示为与粒子-光学轴线垂直)。该管的一个端部表示了两个通孔，一个密封抵靠该粒子-光学柱102，另一个是靠近试样位置的孔120。这些通孔布置成使得粒子束穿过这两个通孔。该镜114布置在这两个孔之间，使得光-光学轴线偏转成沿着该管118。该管的另一端部与例如光子检测器或光子产生器(未示出)连接。
该管由泵吸装置来抽空，该泵吸装置通过真空管129与该管连接。
该管的内部(其构成第二容积124)被抽空至例如0.1mbar的压力，在该压力下，散射可以忽略。因为该管与该粒子-光学柱102密封，该管与粒子源之间的真空可以保持在该压力或者甚至更低压力下。仅在试样112和孔120之间的压力较高，以致于产生显著散射。通过将该孔与试样之间的距离调节成前述较小距离，散射的影响受到限制。
通过使管118可缩回，该实施例在需要使装置能够根据本发明工作或作为标准ESEM工作时是特别有利的，其中，例如更多空间可用于其它类型的检测器或其它类型的试样。
该实施例还使得能够用一套简单的工具来将例如标准SEM或ESEM升级成本发明的装置。
图3表示了本发明装置的实施例，其中，光阻挡件存在于光通路中。
图3可以认为是来源于图2。不过，在这里，该镜将来自试样位置的光聚焦到光阻挡件128上。该光阻挡件表示了针孔119，来自试样位置112的光能够穿过该针孔119而行进至检测器单元(未示出)。该镜114并不使得来自其它位置的光成像在光阻挡件的针孔处，因此，该光将不会传输至检测器单元。
应当知道，尽管光阻挡件需要阻挡光，但是在所示结构中也需要相对较大的泵吸流导(conductance)。这可以通过将光阻挡件装备成迷宫式或者通过在真空管129与镜和光阻挡件之间的管119之间进行该连接而实现。
该实施例特别有利于消除对例如杂散光的检测，该杂散光例如是来自其它检测器系统的光或由于粒子与气体分子的非弹性散射而产生的光。
图4表示了本发明装置的优选实施例，其中，极靴(pole piece)位于镜和试样位置之间。
图4表示了位于粒子-光学柱102的粒子-光学透镜108和204之间的镜114。粒子-光学透镜204(所谓的物镜)可例如是常规的磁或静电粒子-光学透镜，或者它可以是所谓的浸没透镜——其中试样布置在该物镜的磁场或电场中——这两种透镜为本领域技术人员公知。对着试样位置112的柱部分(形成为物镜204的极靴)包括孔120(粒子和光子都通过)，从而也将第一和第二容积分开。该镜114使得光-光学轴线从粒子-光学轴线朝着检测器模块202偏转。该模块在这里表示为在粒子-光学柱的真空内部，但是，如果该粒子-光学柱102表示了用于光子通过的窗口，则也可以布置在该柱的外部。
由于该实施例使用物镜，且极靴与试样位置之间的距离较小，因此该实施例特别有利，如本领域技术人员所知，这使得该透镜有最佳光学性能。
该实施例的另一优点是形成紧凑设计。
应当知道，尽管在图中，镜114表示为布置在物镜204的外部，但是也可以将该镜安装在物镜的极靴之间。由于物镜204的极靴之间的间隙相当靠近该试样位置，这导致镜114的位置靠近试样，因此，与将该镜布置在物镜外部时(在粒子源一侧)相比，可以使用更小尺寸的镜。
还应当知道，通过浸没类型的物镜204，可以构成具有较高的粒子-光学性能和较高的光学通路数值孔径的装置。如本领域技术人员已知的那样，浸没透镜需要在其透镜极靴与试样之间有较小距离。假定透镜极靴的中心孔作为孔120，因此该孔也定位成供光子在试样与镜之间通过。将该镜布置在浸没透镜的极靴与试样之间甚至是不可能的，因此当使用浸没透镜来获得较高的粒子-光学分辩率时，该实施例可以是优选方案。
应当知道，在前述实施例中，当使用该孔120来使光子穿过时，试样位置112与孔120之间的距离必须保持较小。不过，当光通路的较大数值孔径N.A.(暂时)并不重要时，例如当只通过粒子束来观察试样时，可以在该孔与试样位置之间有较大距离的情况下工作(较长的所谓工作距离)。例如，可以在试样位置与该孔之间有较大距离的情况下用粒子束对试样进行成像，从而能够有较大视野，并进行例如粗糙引导，之后，可以使该距离变得更小，且可以在该试样的微小部分上进行例如拉曼光谱术。
还应当知道，前述实施例表示了最多一个检测器用于检测由撞击粒子所引起的辐射。应当知道，可以有多个检测器，它们设置在真空腔室中或者在粒子-光学柱中，能够检测不同类型的辐射，例如次级电子、次级离子、反向散射电子、X射线等。
还应当知道，前述实施例介绍了由光子检测器检测来自试样的光子。当检测由于碰撞粒子而发出的光时(阴极发光)，这特别有利。如本领域技术人员公知，通常优选是用光子照射试样(以便引起某些物理或化学变化，例如由于加热)，或者甚至用光子照射试样且同时利用例如分束器(例如拉曼光谱术)来检测来自试样的光子。本发明同样适用于照射该试样。
还应当知道，第一容积(试样处在该第一容积中)中的压力可以通过允许例如空气或水蒸汽进入真空腔室(通过受控的泄漏)来进行调节。如本领域技术人员已知，这可以通过允许蒸汽进入腔室或通过局部允许蒸汽进入(借助于靠近试样位置的所谓气体注入器)来进行。还已知允许其它流体进入，例如用于沉积的产物母体(precursor)流体或者用于蚀刻的蚀刻流体(例如XeF2)。
可以不使用水来避免湿试样脱水，而是可以允许其它流体进入该第一容积，以避免试样中的其它流体蒸发，例如油、脂等。在观察例如某些药在油“载体”中的悬浮时或者在观察/分析包含例如油和催化剂的混合物时，这可能很有利。

Claims (20)

1.一种粒子-光学装置，包括：
真空腔室(100)；
安装在该真空腔室上的粒子-光学柱(102)，用于产生围绕粒子-光学轴线(106)的粒子束，所述粒子-光学柱包括粒子源(104)；
位于该真空腔室(100)中的试样载体(110)，用于将试样承载在试样位置(112)，所述试样位置位于该粒子-光学轴线(106)上；
镜(114)，用于收集从该试样位置(112)发出的光，或者将光聚焦在该试样位置(112)上，所述镜具有围绕该粒子-光学轴线(106)的通孔(116)；以及
抽空装置，用于对该装置进行抽空；
其特征在于：
隔膜(118)布置在该试样位置(112)与该镜(114)之间，所述隔膜将第一容积(122)与第二容积(124)分开，该试样位置(112)位于该第一容积(122)中，所述隔膜(118)具有围绕该粒子-光学轴线(106)的孔(120)，用于由粒子-光学柱(102)产生的粒子通过并用于该镜(114)与试样位置(112)之间的光通过；
该孔(120)将从第一容积(122)流向第二容积(124)的气流限制为这样的值，即，当在试样位置(112)处的压力是流体平衡压力，且平衡压力大于1mbar时，该抽空装置可以将该第二容积(124)抽空至足够低的压力，以便当与第一容积中的散射比较时可以忽略粒子束在第二容积中的散射；
该孔(120)与该试样位置(112)之间的距离可以调节成或固定成小于该孔(120)的直径的四倍，优选是小于该孔(120)的直径的两倍；且
该镜(114)位于该隔膜(118)与粒子源(104)之间。
2.根据权利要求1所述的粒子光学装置，其中，该孔(120)的直径小于1mm，特别是小于300μm。
3.根据前述任意一个权利要求所述的粒子光学装置，其中，当第一容积中的压力高于大约6mbar时，该抽空装置可以将第二容积(124)抽空至足够低的压力，以便使得粒子束的散射与在第一容积中出现的散射相比可以忽略。
4.根据前述任意一个权利要求所述的粒子光学装置，还包括带电粒子检测器(126)，所述检测器位于第二容积(124)中。
5.根据前述任意一个权利要求所述的粒子光学装置，还包括带电粒子检测器(126)，所述检测器位于第一容积(122)中。
6.根据前述任意一个权利要求所述的粒子光学装置，还包括带电粒子检测器(126)，其中，所述隔膜(118)是所述带电粒子检测器的一部分。
7.根据前述任意一个权利要求所述的粒子光学装置，还包括光子检测器(128)，用于检测从该试样位置(112)发出的光。
8.根据权利要求7所述的粒子光学装置，还包括光阻挡件(130)，该光阻挡件布置在光子检测器(128)与镜(114)之间的光-光学通路上，所述光阻挡件具有用于光通过的孔(132)，该镜(114)将该试样位置(112)成像在该孔(132)上，这样，除试样位置(112)之外的其它位置发出的光不会对由光子检测器(124)检测的光量产生显著贡献。
9.根据前述任意一个权利要求所述的粒子光学装置，其中，该装置装备有气体注入器(130)，所述气体注入器允许气体或蒸汽进入第一容积(122)。
10.根据前述任意一个权利要求所述的粒子光学装置，其中，该隔膜(118)具有指向试样位置(112)的、成截头锥形形状的凸起(132)，且该孔(120)形成于该锥体的、最靠近试样位置的端部中。
11.根据前述任意一个权利要求所述的粒子光学装置，其中，该光由以下组的光子形成：红外线、可见光、紫外线和X射线光子。
12.根据前述任意一个权利要求所述的粒子光学装置，其中，粒子-光学透镜的极靴位于试样位置(112)与镜(114)之间。
13.根据权利要求12所述的粒子光学装置，其中，该极靴为该隔膜(118)。
14.根据前述任意一个权利要求所述的粒子光学装置，其中，该镜(114)位于该粒子-光学柱(102)与该孔(120)之间。
15.一套工具，用于将现有的显微镜升级成如前述任意一个权利要求所述的显微镜。
16.一种操作粒子-光学装置的方法，该方法包括：
提供根据前述任意一个权利要求所述的装置；
将试样安装在该试样位置(112)；
将第一容积(122)抽空至1-50mbar之间的压力；
将第二容积(124)抽空至低于0.1mbar的压力；
将该试样与该孔(120)之间的距离调节成小于该孔的直径的两倍的距离；
使粒子束通过该孔(120)；以及
使光子束(130)通过该孔(120)。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，该光子束(130)由试样发出。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，该光子束(130)被聚焦在试样上。
19.根据权利要求16-18中任意一个所述的方法，其中，该第一容积(122)被抽空至在大约1mbar与大约20mbar之间的压力。
20.根据权利要求16-19中任意一个所述的方法，其中，该第一容积(122)被抽空至在大约6mbar与大约10mbar之间的压力。
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