CN102737937B - 在带电粒子仪器中保护辐射检测器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在带电粒子射束设备中保护辐射检测器的方法。本发明涉及一种在TEM中保护直接电子检测器（151）的方法。本发明包括在设置新的射束参数诸如改变聚光透镜（104）、投影器透镜（106）和/或射束能量的激发之前预测检测器上的电流密度。该预测是使用光学模型或者查表实现的。当预测的检测器暴露小于预定数值时，实现所期改变，否则产生警告消息并且推迟设置的改变。

Description

在带电粒子仪器中保护辐射检测器的方法

技术领域

本发明涉及一种在带电粒子射束设备中保护辐射检测器的方法，该设备包括用于产生带电粒子的射束的源、包括用于照亮样本的透镜的聚光器系统、包括用于在检测器系统上形成放大的样本图像的透镜的投影系统，该检测器系统包括辐射检测器，该方法包括：

·使用第一参数集合将检测器暴露于辐射的步骤，该参数集合包括聚光透镜设置、投影透镜设置、带电粒子射束能量和射束电流，

·要求改变参数的步骤。

背景技术

根据透射电子显微镜方法（TEM），这种方法是已知的。

在TEM中，电子枪利用通常在50keV和400keV之间的可调节能量产生高能电子射束。电子束由聚光透镜和偏转线圈操控以照射（照亮）样本，所述样本被保持在样本位置处。样本能够被样本保持器定位，从而能够使得感兴趣的区域是可视的。投影系统在检测器系统上形成样本的一个部分的放大图像。典型的放大率范围从10³倍到大于10⁶倍，并且典型的分辨率低至100pm或者更低。

图像通常在带有荧光屏幕的检测器上形成，其中荧光屏幕在CCD或者CMOS芯片上成像。然而，越来越多的直接电子检测器（DED）得以使用。对于给定的暴露而言，DED的优点在于更好的信噪比（SNR）。这是有利的，因为样本受到电子的照射射束损坏，并且因此在尽可能少的电子撞击样本的情况下基本获取图像是必须的。

DED的一个缺陷在于，它们能够易于被过度照亮。本发明人进行的试验表明，在硬化CMOS芯片中，在14·14μm²像素中的、达5·10⁶个电子的总剂量的暴露导致永久损坏，更加具体地引起所谓的暗电流的增加，从而导致SNR降低和使得检测器不可操作的动力学范围降低。这个述及的剂量涉及在检测器的寿命期间的累积剂量，并且因此即使对于高电流密度的短期暴露也应该得以避免。

关于CMOS直接电子检测器、它的优点及其失效机制的讨论，例如参见“CharacterisationofaCMOSActivePixelSensorforuseintheTEAMMicroscope”，M.Battaglia等，NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchSectionA，Volume622，Issue3，p.669-677。

如本领域技术人员已知地，在样本的观察会话（observationsession）期间，TEM设置例如放大率、聚光器设置等经常被改变。用于当改变显微镜设置时避免损坏DED的现有技术方法包括：在改变透镜激励时期间射束阻断以及检测器缩退和使用新的设置测量落在例如荧光屏幕上的电流/电流密度（这被称作屏幕电流）。基于这个测量，决定再次插入DED或者改变显微镜设置。这是一个非常耗时的过程。

因此经常基于使用者的技能使用另一种方法，但是这非常可能对于DED引起永久损坏。

存在对于一种用于在带电粒子射束设备中保护辐射检测器的、可靠的和快速的方法的需要。

发明内容

本发明旨在提供这种方法。

为此，本发明的方法的特征在于该方法包括：

·在改变的参数下预测检测器将被暴露于的通量密度的步骤，这是在实现所述参数的改变之前进行的，该预测基于光学模型和/或查表，利用来自聚光透镜设置、投影透镜设置、带电粒子射束能量、束电流的集合的一个或者多个输入变量作为输入，和

·比较预测通量密度与预定数值的步骤，并且根据比较，或者

o当预测通量密度低于预定数值时实现所述参数改变，

或者

o当预测通量密度高于预定数值时避免将检测器暴露于与请求的参数改变相关联的通量密度。

本发明是基于以下认识的，即，当带电粒子射束设备的光学器件的行为模型可用[形式为光学模型或者形式为查表（LUT）]时，能够预测辐射检测器将被暴露于什么样的暴露。如果预测暴露高于预定水平，则改变不予实现和/或射束保持阻断，从而检测器不被暴露于所述高水平辐射。然而，如果预测暴露低于预定水平，则将检测器暴露于所述辐射是安全的，并且改变能够得以实现。优选地当预测通量密度高于预定数值时，仪器产生错误消息或者警告，并且请求的参数改变不予执行。

在一个优选实施例中，辐射检测器是直接电子检测器，辐射包括电子并且检测通量密度是电流密度。

当检测电子时，通量密度能够被表达为电流密度。还使用了其它的非SI单位，诸如电子每μm²每秒。

带电粒子射束设备能够是透射电子显微镜。

如较早述及地，在TEM中使用了DED。一个实例是用于在Titan^TM中使用的Falcon^TM检测器，这两者均由本发明的申请人即美国Hillsboro的FEI公司制造。

优选地，当产生警告或者错误消息时，透镜的激发不被改变和/或射束保持阻断，由此，检测器不被暴露于对于检测器引起永久损坏的过度暴露。

改变透镜的激发和/或射束能量可以导致检测器的高度暴露。因此优选的是，在改变期间，利用射束阻断器（或者静电或者磁性或其组合）阻断射束。

对于针对过度暴露保护CMOS和CCD芯片而言，该方法证明是特别有效的，所述过度暴露对于检测器引起永久损坏。

为了改进查表（LUT）或者光学模型的准确度，能够执行校准。

如本领域技术人员将会清楚地，光学模型越好，需要的校准越少。而且，当观察会话被限制为一个射束能量时，校准能够被限制为该能量。

附图说明

现在使用附图阐述本发明，其中相应的数字引用相应的特征。

为此：

图1概略地示出带有DED的TEM；并且

图2概略地示出根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1概略地示出带有直接电子检测器的透射电子显微镜。

图1示出围绕光轴100发射电子射束的电子源101。校列线圈102围绕光轴定中该射束，并且射束限制孔103限制射束和射束电流。聚光透镜104操控射束从而处于样本位置的样本111被照亮。能够利用样本操控器112改变样本的位置，从而仅仅感兴趣的区域被照亮。样本被置放在磁性物镜105的场中。由此，物镜形成样本的中间图像。已经是放大图像的所述中间图像进一步被投影透镜106放大，直至在荧光屏幕107上形成放大图像。能够经由观察端口108观察荧光屏幕。该屏幕被安装在铰链109上，从而使得能够从射束路径移除屏幕，从而在直接电子检测器151上形成放大图像。电气地，屏幕107经由导线152被连接到电流测量单元153，从而在屏幕上撞击的电流能够得以测量。该TEM进一步包括外罩120、泵送管道121和一个或者多个真空泵122。该显微镜进一步包括用于控制所有的信号并且还用于获取检测器信号并且在监视器（未示出）上表示检测器信号的控制器（未示出）。注意能够利用显微镜控制器完成所述获取和处理，但是还可以利用独立的计算机完成。所述计算机可以与控制器通信，并且是否将计算机定义为控制器的一个部分则是语义方面的问题。

该显微镜进一步通常包括射束阻断器（未示出），通常是位于电子源和样本位置之间的磁性偏转器，以阻断射束。

该一个或者多个真空泵通常将TEM抽空至在10^-4mbar（在检测器区域处）到10^-10mbar（在电子源区域处）之间的真空。如技术人员已知地，能够吸气剂离子泵、涡轮分子泵、油扩散泵等的集合（在如果有必要则延伸具有预真空泵）中找到真空泵的类型。

在TEM中的样本是通常在25nm和1μm之间的的、极薄的样本。这种薄的样本对于在其上撞击的电子而言是至少部分地透明的，电子具有通常在50keV和400keV之间的可调节能量。由此，一部分电子通过样本透射，虽然它们可能与样本互相作用并且例如被散射或者损失能量。能够使用透射的电子形成图像，该图像示出吸收对照（样本的某些部分比其它部分截取更多的电子），或者相位对照（通过非散射电子和散射电子的干涉）或者示出能量损失。

注意还能够通过对于衍射图成像而推导其它类型的信息，诸如结晶信息。

因为样本易于通过利用高能电子照射而受到损坏，所以向所述电子的暴露应该被保持为是最小的。这需求具有高SNR的检测器，高SNR还被表达为高DQE（检测量子效率）。引入了DED以回应该要求，但是如较早述及地，问题在于，DED被撞击电子损坏并且检测器在检测某个数量的电子每μm²之后达到寿命终点（准确的数量依赖于检测器设计和电子能量）。

在现有技术中，利用安培计153测量在斑点（代表屏幕上的一个区域）中的电流并且使用者应该使用该测量关于是否将检测器暴露于电子作出决定。

本发明提出通过使用LUT或者显微镜的光学模型，更加具体地包括孔103、聚光透镜104和投影透镜106的光学模型，以及电子源101的电压预测电流而预先主动地估计在检测器151上的电流。

注意该图仅仅示出概略图，并且TEM包括很多进一步的校列线圈、孔等，并且还可以使用更多的检测器诸如X射线检测器。DED还可以采取例如被插入射束路径的硅管芯的形式。对于本领域技术人员而言，所有的这些变型都是明显的。

图2概略地示出根据本发明的方法的流程图。步骤200示出提供了使用第一参数集合的TEM。

步骤202示出射束被阻断以避免不必要的检测器照亮。

步骤204示出给予显微镜的控制器请求或者指令以将参数设定为另一组数值。

步骤206示出从请求参数集合产生的剂量得以预测。

步骤208示出这个预测数值被与预定数值相比较。

步骤210示出当预测数值小于预定数值时，参数被设为请求数值。

步骤212示出射束未被阻断，从而检测器被暴露于应该密切地近似在步骤206中确定的预测数值的数值。

步骤214示出，当预测数值超过预定数值时，优选地在用户接口（UI）上产生警告。

步骤200、202、204、210和212是现有技术的一部分：TEM的使用者在第一参数集合（样本电流和样本电流密度、放大率、射束能量）下操作显微镜并且希望改变参数集合，例如这是因为在样本的观察会话期间，需要形成处于不同放大率的图像。射束被阻断，显微镜控制器得到指令以改变有关参数，并且射束再次未被阻断。

在射束未被阻断时，检测器能够被暴露于高剂量，因此用尽它的寿命剂量极限。

为了避免这种非理想的暴露，本发明提出在改变参数之前预测将会落在检测器上的剂量。优选地使用其中能够估计参数集合的效果的LUT（查表）或者光学模型作出这种预测。LUT能够要求插值，并且能够具有根据需要的维数。也能够使用其中用公式表达参数行为的光学模型。甚至能够混合地使用LUT和光学模型。已经述及了通过校准即：通过在给定设置集合下确定什么样的剂量和/或剂量依赖性发生而改进LUT和光学模型的准确度。

注意在步骤202中阻断射束在这里被描绘成在于步骤204中制定所期参数集合之前，但是按照这个次序实现这点是不必要的。甚至能够通过阻断/解除阻断射束而执行该方法，但是可以发生以下问题，即，在改变参数期间，中间状况发生，其中样本和/或检测器的照亮超过最大水平。

在于步骤214中产生警告和/或错误消息之后，对于参数集合的改变优选地被推迟并且显微镜（其控制器）等待使用者的指令，在此之后，通常地从步骤204开始重复整个过程。

注意设想到了使用者能够不考虑警告或者错误消息，因此承担检测器过度暴露和可能的损坏的风险。

注意步骤214能够实现为“无动作（noaction）”（不产生实际警告或者错误消息）和例如所述仪器的用户手册的解释性部分。然而，警告或者错误消息是优选的。警告或者错误消息可以采取可听警告、在控制屏幕上的文本消息、形式为闪光灯或者彩色LED的可视警告等的形式。

进一步注意，避免检测器的暴露可以包括利用例如磁性阻断器、静电阻断器或者机械快门阻断射束，但是还可以包括将检测器缩退到在此处它不被暴露于破坏性辐射的位置，并且利用较不易于遭受源自照射的损坏的另一个检测器诸如荧光屏幕观察图像。

Claims (11)

1.一种在带电粒子射束设备中保护辐射检测器（151）的方法，所述设备包括用于产生带电粒子的射束的源（101）、包括用于照亮样本（111）的透镜（104）的聚光器系统、包括用于在检测器系统上形成放大的样本图像的透镜（106）的投影系统，所述检测器系统包括辐射检测器，所述方法包括：

·使用第一参数集合将所述检测器暴露于辐射的步骤（200），所述第一参数集合包括样本电流和样本电流密度、放大率、射束能量，

·要求改变参数的步骤（204），

其特征在于，所述方法包括：

·在实现所述参数改变之前预测在改变的参数下所述检测器将被暴露于的通量密度的步骤（206），所述预测基于光学模型和/或查表，利用来自聚光透镜设置、投影透镜设置、带电粒子射束能量、射束电流的集合的一个或者多个输入变量作为输入，和

·比较所述预测的通量密度与预定数值的步骤（208），并且根据所述比较，

o当所述预测的通量密度低于所述预定数值时实现所述参数改变，

或者

o当所述预测的通量密度高于所述预定数值时避免将所述检测器暴露于与请求的参数改变相关联的通量密度。

2.根据权利要求1的方法，其中比较所述预测通量密度与预定数值的步骤（208）给出当所述预测通量密度超过所述预定数值时产生警告或者错误消息的步骤（214）。

3.根据权利要求1或者权利要求2的方法，其中检测器（151）是直接电子检测器，所述辐射包括电子并且所述通量密度是电流密度。

4.根据权利要求3的方法，其中检测器（151）被配备为检测通过样本（111）透射的电子。

5.根据权利要求2的方法，其中当产生错误消息或者警告时，用于照亮样本（111）的透镜（104）和用于形成放大的样本图像的透镜（106）的激发和所述射束能量不被改变。

6.根据权利要求2的方法，其中当产生错误消息或者警告时，所述射束被射束阻断器阻断。

7.根据权利要求1的方法，其中当改变所述参数时，所述射束被射束阻断器阻断。

8.根据权利要求1的方法，其中将检测器（151）暴露于超过所述预定数值的剂量对于所述检测器引起永久损坏。

9.根据权利要求1的方法，其中检测器（151）配备有用于电子的直接检测的CMOS芯片或者CCD芯片。

10.根据权利要求1的方法，所述方法进一步包括，在使用第一参数集合将所述检测器暴露于辐射之前，通过对于不同的参数集合测量所述射束电流而校准所述光学模型和/或查表。

11.一种在带电粒子射束设备中保护辐射检测器（151）的系统，所述设备包括用于产生带电粒子的射束的源（101）、包括用于照亮样本（111）的透镜（104）的聚光器系统、包括用于在检测器系统上形成放大的样本图像的透镜（106）的投影系统，所述检测器系统包括辐射检测器，所述系统还包括：

用于使用第一参数集合将所述检测器暴露于辐射的装置，所述第一参数集合包括样本电流和样本电流密度、放大率、射束能量，

用于要求改变参数的装置，

用于在实现参数改变之前预测在改变的参数下所述检测器将被暴露于的通量密度的装置，所述预测基于光学模型和/或查表，利用来自聚光透镜设置、投影透镜设置、带电粒子射束能量、射束电流的集合的一个或者多个输入变量作为输入，

用于比较所述预测的通量密度与预定数值的装置，

用于当所述预测的通量密度低于所述预定数值时实现所述参数改变的装置，以及

用于当所述预测的通量密度高于所述预定数值时避免将所述检测器暴露于与请求的参数改变相关联的通量密度的装置。