CN102971824A - 用于扫描共焦电子显微镜的改进对比度 - Google Patents

Abstract

一种扫描共焦透射电子显微镜包括样品下方的退扫描偏转器和校正器。所述显微镜使用检测器，所述检测器优选地显著大于显微镜的分辨率，并且被放置在实像平面中，这提供了改进的对比度，特别是对于轻元素。

Description

用于扫描共焦电子显微镜的改进对比度

技术领域

本发明一般涉及透射电子显微术，并特别涉及改进扫描共焦电子显微镜中的对比度。

背景技术

在共焦显微术中，照明源被聚焦到样品处的一个点上，并且然后该样品点的图像被形成在孔径处。

使照明源的焦点跨越样品进行扫描，而孔径处的光强度被用于形成图像，其中每个图像点的强度与穿过孔径的光的强度相对应。通过将照明源聚焦在样品内的不同深度处，由于小孔径阻挡从焦点深度以外的深度所散射的电子，所以可以形成来自透明样品内部中的不同深度的图像。

共焦显微术是使用光显微术所开发的，但它近来已经被应用于电子显微术。在传统的共焦电子显微术中，盘形检测器被放置在与样本共轭的平面中的孔径处。被投影回到样本平面时的盘形检测器的尺寸约等于共焦图像的横向分辨率，其通常为几埃（Angstrom）。因为射束必须跨越样品进行扫描，所以有必要将样品下方的检测器与样品上方的射束对准。Zaluzec的序号为6,548,810的美国专利“扫描共焦电子显微镜”描述了“退扫描(descan）”线圈的使用，其用于将已经穿过样品的射束带回到光轴上以穿过孔径并到检测器中。

由于共焦显微术中所使用的非常小的盘形检测器，因此射束的退扫描和重聚焦不足够精确以提供原子分辨率。为克服这个问题，扫描共焦显微术领域中近期的出版物描述了一种机构，其中样品在射束下移动，而不是射束在样品上移动。例如，Takeguchi等的“用于高分辨率共焦STEM的镜台扫描系统的开发”(Development of a stage scanning system for high resolution confocal STEM，电子显微术学报（Journal of Electron Microscopy）57(4)123-127(2008))描述了一种共焦电子显微镜，其中样品被安装在使用压电驱动器来移动样品的测角仪中。通过在矩形光栅图样中扫描样品，显微镜可以形成样品的平面的二维图像。通过向上或向下移动样品，可以获取来自样品内部多个平面的信息以形成三维图像。然而，机械扫描比扫描电子束慢得多。

相似地，Cosgriff, D’Alfonso等的“双像差校正扫描共焦电子显微术中的三维成像，第一部分：弹性散射”（超显微术（Ultramicroscopy）108（2008，1558至1566页））示出了一种样品，其可以在X-Y平面中以及在Z方向上被移动，以形成样品的三维图像。

D’Alfonso, Cosgriff等的“双像差校正扫描共焦电子显微术中的三维成像，第二部分：非弹性散射” （超显微术（Ultramicroscopy）108（2008，1567至1578页））使用扫描共焦电子显微镜来确定嵌入在大容量矩阵（bulk matrix）内的孤立杂质原子的位置。D’Alfonso通过使用来自内壳电离的电子能量损失来识别个别杂质原子，并通过将散焦电子引导向检测器来检测能量损失电子。

发明内容

本发明的目标是提供扫描共焦电子显微术中的改进的对比度。

在一个优选的实施例中，本发明使电子束跨越样品进行扫描并在样品下方使射束进行退扫描。针对球面像差校正样品下方的射束。申请人已经发现，置于样品下方的校正器可以改进图像对比度。例如，改进的对比度提供了成像轻原子的能力，该能力不存在于现有技术中。不同于传统SCEM（扫描共焦电子显微镜），在传统SCEM中小孔径和检测器消除了未被聚焦在孔径平面处的电子，本发明的实施例使用显著大于检测器平面处的电子源图像分辨率的检测器，来收集当穿过样本和丢弃未被聚焦在检测器平面处的电子时被移位的电子。

前述内容已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便使后续的本发明的详细描述可以被更好理解。本发明的附加特征和优点将在下文中描述。本领域技术人员应当理解，所披露的概念和具体实施例可以容易地被用作修改或设计用于实现本发明相同目的的其它结构的基础。本领域技术人员还应当认识到，这样的等效构造没有脱离如所附权利要求书中所阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更透彻地理解本发明及其优点，现在对结合附图所进行的以下的描述做出参考，其中：

图1示出了现有技术的电子束系统；

图2是在未散射和纯粹的非弹性散射电子（即，具有小散射角的电子）由中心（盘形）检测器所收集，而弹性散射电子（即，具有更大散射角的电子）由外部（环状）检测器所收集的模式下进行操作的本发明的电子束系统的示意性说明；

图3是在未散射电子由中心（盘形）检测器所收集，而超过一定能量范围的非弹性散射（即，能量损失）电子由外部（环状）检测器所收集的模式下进行操作的本发明的电子束系统的示意性说明；

图4是在样本体积内被移位的电子由外部（环状）检测器所收集而未移位的电子由中心检测器所收集的情况下进行操作的本发明的电子束系统的示意性说明；

图5说明了传统（后焦平面）STEM检测器配置，以及本发明的检测器配置；

图6A和6B分别示出了通过使用本发明的实施例所获得的Au <111>样本的暗场和明场图像；

图7A和7B分别示出了通过使用本发明的实施例所获得的散焦暗场和散焦明场图像，其示出了镧晶体中的硼原子列；以及

图8示出了根据本发明的实施例所获得的LaB₆的EELS光谱。

具体实施方式

虽然本领域的普通技术人员将容易地认识到许多替代实施例，特别是按照本文所提供的说明，但此详细描述是本发明的优选实施例的示例，本发明的范围仅由所附权利要求所限制。

申请人已经发现在样品下方使用校正器增强了对比度。本发明的实施例将能够进行一种新的应用，该新的应用可以提供关于样本的3D信息。此外，由于实明场（RBF）检测器具有去除非弹性散射电子的能力，该技术可以被用于对厚样本进行成像。

传统上，STEM检测在样品下方的透镜的后焦平面（也被称为衍射平面）之中或附近被执行。共焦显微术中的检测器被放置在样品下方的透镜的实像平面中，并主要被用于三维成像，因为其具有提供来自样品内的预定深度的信息的能力。申请人已经发现，使用样品下方的校正器来校正样品的图像，允许了STEM型检测在实像平面中被执行，并提供与在衍射平面中执行的检测相比改进的对比度。

当在衍射平面中执行传统STEM检测时，衍射平面中的电子图样在使射束进行扫描（假设是远心扫描）时是静止的。由于使射束进行扫描时实像平面中的电子图样不是静止的，因此有必要使射束进行退扫描，使得强度分布可以被投影到固定的检测器上。

当射束在样品中按原子的列进行扫描时，射束被移位，这提供了电子在实空间中的重新分布，其被示为可以通过使用环形和/或盘形检测器所检测到的图像中的对比度。

本发明的实施例将允许新的应用，该新的应用对传统STEM提供补充信息，并提供新的形态来可视化轻元素。

本发明的实施例将允许使用新的散焦实STEM技术并将提供直接化学对比度。

本发明的实施例：

（1）显著提高可以通过以组合射束移动代替镜台移动来记录共焦图像的速度；

（2）开放了在无需昂贵的成像能量过滤器的情况下，在STEM中进行基本化学映射的可能性；

（3）由于样本的相互作用，提供了基于探针的重分布的新对比度机制；

本发明能够实现新的对比度机制，其提供了改进的结果，用于：

（4）可视化轻元素（如H、O、N、B、Li）；

（5）将弹性信号从非弹性信号分离；

（6）通过晶胞来将样本单元中的电场和磁场进行可视化。

样本的电场和磁场一直使小探针偏转（洛伦兹力，电力）。利用分段的盘形检测器，可以检测到这些偏移，以利用探针的分辨率来确定偏转的强度和方向。

到目前为止，这仅在衍射平面中被完成（微分相位对比法（DPC）John Chapman教授等，格拉斯哥，英国）。优选的实施例是处于实空间中，这提供了优势。

本发明基于的认识是，在共焦装置或扫描装置中，原子级清晰的探针的Cs校正的图像包含关于样本的大量信息。例如，此信息可以是由样本相互作用所引起的探针的空间重分布，或由弹性和非弹性散射所引起的射束方向的局部改变。具有与聚焦探针的图像相对应的孔径尺寸的现有技术的简单盘形检测器可能无法记录所有的这种信息。

为了访问（部分）这种信息，可在各种的实施例中对简单盘形检测器进行下列改变中的一个或多个改变：

-检测器不需要是盘形检测器，而可以是环形检测器，可选地，可以是围绕中心盘形检测器的环形检测器；

-检测器不需要具有与分辨率相当的尺寸，而是可以显著地更大（例如10x）；

-检测器不需要被定位在探针的确切聚焦图像中，而可以稍稍离焦进行放置。

-检测器也可以被分段。

本发明的实施例包括以下装置的组合：能够使射束跨越样本进行扫描的电子显微镜；用于将扫描射束重引导到光轴的退扫描设备；至少对图像系统的球面像差进行校正的校正器；用于记录探针图像处或附近的射束强度的盘形检测器和/或环形检测器。退扫描单元和校正器在检测器的平面处或附近创建探针的清晰且静止的图像。

由于样本中射束的重分布取决于探针相对于原子列的位置，因此生成了对比度。Chu等的Phys. Rev. Lett.104 (2010) 196101中描述了针对在InGa列上的探针入射计算在InGaAs中的重分布。

根据本发明的一些实施例：

通过同步改变探针形成光学器件的焦点和成像光学器件的焦点可以完成对样本的深度分段（与通过机械改变样本的高度所进行深度分段相反）；

通过调节从样本到检测器的放大率，检测器在样本平面处的表观尺寸可以被调节；以及

检测器可以是EELS分光仪，以便只形成已获得一定空间再分配连同一定能量损失的那些电子的图像。这可以被用于在弹性EELS和非弹性EELS的信号之间进行辨别。

在传统的STEM成像中，将检测器与物镜的后焦平面共轭地进行放置，且盘形检测器和环形检测器被称为明场（BF）检测器和暗场（DF）检测器。本发明的实施例中的成像方法是类似的，除了将检测器与样本的实像共轭地进行放置。因此，我们将这种技术称为实空间STEM（R-STEM），并将检测器称为实DF（RDF）检测器和实BF（RBF）检测器。

本发明的实施例可以具有以下属性：

共焦装置具有显著大于横向分辨率的盘形检测器

共焦装置具有环形检测器

共焦装置具有在检测器处的离焦图像，以便增强轻元素的对比度

共焦装置具有退扫描单元和Cs校正来获得探针的原子级清晰的且静止的图像，以便记录由样本相互作用引起的空间加宽中的差异。

图1是现有技术的电子束系统100的示意性侧示图。发散射束104从源尖端102（诸如冷场发射器或Schottky发射器）发射。像差校正器106将电子104聚焦成近似平行的射束108，其平行于列光轴被引导，以进入第一透镜110。校正器106可以被配置为校正球面像差，或校正球面像差与轴上色像差的组合。透镜110在样本114的体积内形成射束焦点116，其中束射112对于样本114在焦点116上方的所有部分是一直会聚，并且对于样本114在焦点116下方的所有部分变成发散射束118。在图1中所说明的现有技术的电子束系统中，样本在X-Y光栅图样150中被机械扫描以从样本114获取二维成像数据。透镜120将发散电子束118聚焦成近似平行的射束122，其被引导到下像差校正器124中。下校正器124将电子束122聚焦成会聚射束126，其穿过孔径板128中的小开口，并因此到电子检测器130。

射束交叉点116处于样本114的体积内的所期望的图像平面中。然而，由于电子束大量穿过样本114的整个体积（经受某种程度的电子吸收），因此电子可能从样本114内的任何层面进行散射，不一定是在含有交叉点116的图像平面处。例如，电子119被示出在样本114的下表面处进行散射。因为电子119将从图像平面下方的点与透镜120相交，透镜120将把这些电子聚焦成发散射束142。下校正器124被配置为针对未散射的射束122校正球面像差或球面像差与色像差。由于到达校正器124的电子142具有比射束122内的轨迹更大的角度，所以校正器124将无法实现完全的像差校正，因此从校正器124出现并对应于射线142的电子144，将在孔径板128中的开口外的半径处到达孔径板128的平面，从而撞击孔径板128于点146，如所示的。因此，从样本114内的位置散射的、不在所期望的图像平面内的电子将不会传递到检测器130。此孔径功能从而改善了现有技术的电子束系统100中可实现的深度分辨率。

然后，环形检测器可以被用于仅使用样本中已获得一定横向重分布的那些电子来形成图像；盘形检测器上的探针的散焦图像可以使用成像系统的色像差来增强样本中已获得一定能量损失的那些电子的信号。由于成像系统的更高阶的像差，散射到很高角度的电子将不会被重新聚焦到较小的盘形检测器。可以给予盘形检测器这样的尺寸，使得只有被散射达到一定角度的电子被检测到。特别地，检测器尺寸和探针图像的散焦的适当组合，可以被用于增强轻元素（诸如H、O、N、B和Li）的信号，这些轻元素大多向前散射。探针在检测器上的图像的散焦可以通过改变图像校正器中的传递透镜或投影系统中的透镜来实现。

此外，使用这样的更大尺寸的检测器，光学扫描-退扫描方案再次变得可行，并可以取代慢得多的机械扫描。

图2是根据本发明的电子束系统200的示意侧示图。电子204的发散束从源尖端202（诸如本领域技术人员熟悉的冷场发射器或Schottky发射器）发射。聚光器列206将电子204聚焦成近似平行的电子束208，其平行于列光轴被引导以进入可选的上像差校正器210。如本领域技术人员所熟悉的，校正器210可以被配置为校正球面像差，或校正球面像差与轴上色像差的组合。聚光器列206与上像差校正器210的操作的细节不是本发明的一部分。电子束214从校正器210出现，并进入双偏转器212，其可包括磁偏转线圈、静电偏转板、或磁性和静电偏转元件的组合，如本领域技术人员所熟悉的—双偏转器设计的细节不是本发明的一部分。双偏转器212的关键要素是其包括射束偏转的两个阶段—将射束偏转到图2的右部的第一阶段，随后是将电子束214向左部往回进行偏转的第二阶段。双偏转的目的是操纵射束214通过透镜218的焦平面，使得从透镜218出现的聚焦射束220对于样本222是远心的。远心扫描是指一种扫描模式，其中射束总是近似垂直于超过扫描视场范围的样本表面。透镜218在样本222的体积内形成射束焦点223，其中射束220对于样本222在焦点223上方的所有部分是一直会聚的，并且对于样本222在焦点223下方的所有部分变成发散射束225。

透镜226将发散电子束225聚焦成近似平行的射束228，其被引导到双偏转退扫描系统230中。退扫描的目的在本领域是众所周知的—用于对投影器光学器件238、检测器244和246、以及下校正器234进行最优操作，高度期望的是，将电子束集中在对称轴上，与样本内的射束焦点223的位置无关。注意到，双偏转偏转器230也具有射束偏转的两阶段，如对于样本222上方的偏转器212的情况一样。第一（上）阶段将射束偏转到图2的左部，而第二（下）阶段将射束往回偏转到既在轴上又平行于轴，其中由于由偏转器212所引起的扫描，没有残留的动态射束偏转。因此，在通向下像差校正器234的入口上，从偏转器230出射的射束232是理想地不动且在轴上的。如本领域技术人员所熟悉的，校正器234可以被配置为校正球面像差，或校正球面与轴上色像差的组合。射束236从校正器234出现，并进入投影器列238，其在通常是盘形的中心检测器244的平面处形成射束交叉点242。下像差校正器234和投影器列238的操作细节不是本发明的一部分。

现在，我们检查电子252的聚焦性能，该电子252由样本222所弹性散射，从样本222的下表面出现，具有相对于列光轴更大的散射角。透镜226将电子252聚焦成具有比未散射的射束225更大半径（从光轴测量）的粗略平行的射束。由于透镜226中的球面像差，电子252将趋于比未散射的电子225被更强烈地偏转。校正器234的设计以及还有投影器列238的设计通常为更小的射束半径和角度进行优化，通常是射束232内的电子轨迹（进入校正器234）和射束236内的电子轨迹（进入投影器列238）。具有更大的半径和/或角度的电子轨迹（诸如256（进入校正器234））和轨迹258（进入投影器列238）将展现像差，其导致轨迹260在位置262处撞击检测器246，从未散射的射束240撞击检测器244的位置242离轴。在图2中，如本领域技术人员所熟悉的，被弹性散射的电子260与检测器平面的交点262被示出在外部检测器246上，该外部检测器246可以是单个环形检测器或分段的环形检测器。

注意到，如果增加聚光器列206、上像差校正器210以及透镜218的组合的聚焦强度，则射束交叉点223将向着样本222的上表面向上移动。如果同时降低透镜226、下像差校正器234和投影器列238的组合的聚焦强度适当的量，则投影器列238的出口和检测器平面之间的轨迹240和260将被保留—在此操作模式中，通过同时对聚焦光学器件的上部分和下部分进行调整，能够遍及样本222的整体厚度进行深度分段。显然，此种深度分段的方法比采用样本沿光轴的机械镜台运动的现有技术方法快得多且更可再现。

在此操作模式中，中心检测器244可以被用作“实明场”（RBF）检测器，而外部检测器246可以被用作“实暗场”（RDF）检测器。这意味着RBF检测器244将收集未散射的电子和某些或全部纯非弹性散射的（即，低散射角）电子—这对应于明场成像模式。同时，RDF检测器246将收集部分弹性散射的电子—这对应于暗场成像模式。

图3说明了本发明的另一个实施例，其中下校正器234和投影器列238的组合电子光学聚焦效应已被重新调节，使得样本222内经受某种程度的能量损失的电子310从投影器列238出现，具有轨迹360，并将在外部检测器246上的位置312处到达检测器平面。注意到，因为纯非弹性散射的电子具有很小的角偏转，所以射束325、328、332和336，代表未散射的和非弹性散射的电子两者的组合。图3中忽略了由于非弹性能量损失而在透镜226中产生的色像差。本质上，下校正器234和投影器列238中的组合色像差用来使非弹性散射的电子310离轴足够远地进行偏转，使得交叉点312落在外部（RDF）检测器246上。下校正器234和投影器列238的重调节的相对量可以被调整，使得只有部分非弹性散射的电子落在外部（RDF）检测器246上—在此操作模式中，RDF检测器起到用于非弹性散射的电子的廉价能量带通过滤器的作用。

图4说明了本发明的又一个实施例。通过散射掉样本222内的原子，入射在样本222上的会聚电子束220的一部分在样本222内被偏转，从而在样本222内形成电子轨迹402。轨迹402可以产生于一个或多个弹性散射事件，可能与晶格内的电子沟道相组合。最终结果是，轨迹402穿过样本222的下表面而出现，其具有在未散射的射束225之外的角度和位置，如图4中所示。因为此组合的移位和角偏转，由透镜226对轨迹404不同于发散射束225内的电子而进行聚焦。在由双偏转退扫描偏转器230进行传递和偏转后，相比于未散射的射束232，轨迹406以不同的半径且具有不同的角度而进入下像差校正器234。因为此，相比于未散射的射束236，进入投影器列238的对应的轨迹408也以不同的半径且具有不同的角度。对应地，轨迹410具有不同的（在此示例中更大的）角度而从投影器列238出现，在外部（RDF）检测器246上的位置412处到达检测器平面。因此，利用下校正器234和投影器列238上设置的此配置，可以形成具有关于样本222内的射束移位的信息的信号。在图4的成像模式中，由于样本中射束的重分布取决于探针相对于原子列的位置，因此生成对比度。

图5示出了被聚焦到薄（投射）样本504上的会聚锥形电子探针502。已穿过样本504的电子506，在发散锥形射束506中从样本504的下表面出现。传统STEM后焦平面检测器被示为中心检测器508，其被环状检测器510所围绕。如在本领域中熟知的，检测器508和510位于在投影器透镜（图5中未示出—见图1中的透镜120）的后焦平面中，使得从样本504出射的相对于光轴具有特定角度的所有轨迹都将被聚焦（到一阶）在检测器508和510的平面中的相同位置处。以其它角度从样本504出射的轨迹将被类似地聚焦到检测器508和510的平面中的其它位置。由中心检测器514和环状（环形）检测器516说明了本发明的替代检测器配置，其位于略微在样本平面的共轭焦平面（特别地，优选共轭于使探针具有最小直径的样本504内的平面）上方。中心检测器514被配置为小于在检测器514和516的平面处的射束直径，因此射束512的相当一部分经过检测器514，并由检测器520在与样本平面共轭的平面处所收集。从图中应当理解，检测器514和516的操作要求传统的现有技术STEM的检测器508和510不是该列的一部分，或者从该列的光轴被离轴移动，因为否则，射束506将在检测器508处被停止，并且不能传递到检测器514、516或520。

余下的讨论将涉及检测器514、516和520，并将假定检测器508和510不存在。检测器514和520均被示为收集已穿过透镜的后焦平面（用于正常STEM成像的检测器508和510将已经被定位的平面）的射束512的部分。

在样本504内被离轴散射的电子将撞击环形检测器516。由于中心（未散射的）射束不撞击检测器516，因此使用来自检测器516的信号所形成的任何图像都将是“暗场”图像。另外，由于检测器516近似位于样本的共轭图像平面中，因此使用来自检测器516的信号所形成的暗场图像被称为“暗场散焦实STEM图像”，以将此图像区别于传统暗场图像，该传统暗场图像使用了通过使用来自后焦平面处的环状检测器（即，图5中的检测器510）的信号所获取的信号。

由盘形检测器514所收集的电子对应于具有小散射角的那些电子，包括来自初级射束的未散射的电子，以及从样本504的低原子序数成分所散射的电子—由该信号产生的图像被称为“明场散焦实STEM图像”。射束512被示为散焦，使得射束512中具有更大散射角的那些电子（通常产生于散射掉更高原子序数元素的电子）能够在检测器514周围进行传递，并且然后被检测器520所收集。通过这种方法，相对于（通常强得多的）产生于样本514内的更高原子序数元素的信号，增强了样本504中来自低原子序数原子的信号。通过这种方法，产生于样本504中低原子序数元素的相对弱的信号可以按照先前不可能的方式与产生于样本504内更高原子序数元素的更强的信号进行分离。

图6A和6B示出了清楚示出原子分辨率的R-STEM图像（从Au <111>样本在双Cs校正的Titan TEM上获取）。

图7A和7B示出的是通过选择散焦射束的中心部分，向前散射的电子一直起主导作用，并且来自轻元素列的对比度被增强，如可在下面的图像中所见的。这些图像由散焦R-STEM（DR-STEM）所获得。左边的图像是散焦实明场（DRBF）图像，其示出了B原子列的位置（图像中的亮斑点以及投影结构中的紫色）和示为图像中黑斑点和投影结构中的红点的La原子列的位置。据申请人所知，现有技术没有提供允许在TEM中对这种轻元素进行直接可视化的可用的简单技术。右边的图像是散焦实暗场（DRBF）图像，其将La原子列示为图像中的亮斑点（投影结构中的红点），并且通过使用实空间中散焦斑点周围的环形检测器来获得该图像。

图8示出了可以通过将孔径放在射束周围来实现能量过滤效应。能量窗口的位置和宽度可以通过分别调整射束的散焦和孔径尺寸来进行调整。下面的图示出了为LaB6样本所记录的EELS光谱。散焦和检测器尺寸的当前组合使在120eV能量损失下的具有10eV的窗口的电子的信号最大化。

根据本发明的一个方面，一种扫描共焦电子显微镜（SCEM），包括：电子源，用于生成电子束；第一偏转器，用于使电子束跨越样品的一部分进行扫描；第一电子透镜，用于聚焦电子束以在样品处形成电子源的图像；检测器，用于检测已穿过样品的电子；第二电子透镜，用于聚焦来自样品的电子以在检测器处或附近形成图像；第二偏转器，用于使电子束进行退扫描并将电子束引导到检测器；以及图像校正器，用于校正退扫描图像。

在一些实施例中，SCEM的检测器是分段的。在一些实施例中，检测器具有的面积是投影到检测器平面上时的源的图像的面积的至少两倍，并且检测器平面与源平面是共轭的或接近共轭的。在一些实施例中，检测器包括盘形检测器。以及在一些实施例中，检测器包括盘形检测器，该盘形检测器具有的直径是显微镜的横向分辨率的至少两倍。

在一些实施例中，上面提到的检测器包括环形检测器。在一些实施例中，检测器包括环形检测器和盘形检测器。在一些实施例中，检测器包括EELS分光计。

本发明还包括在扫描共焦透射电子显微镜中提高对比度的方法，包括：从电子源生成电子束；使电子束跨越样品进行扫描；将电子束聚焦成在样品处的电子源的图像；聚焦来自样品的电子束以在检测器处形成电子源的图像；使电子束进行退扫描；校正样品下方的电子源的图像中的球面像差；以及检测下方的电子源的图像。

在一些实施例中，在上述方法中检测图像包括通过弹性或非弹性散射来检测探针的空间重分布。以及在一些实施例中，检测样品下方的电子源的图像包括通过使用EELS分光计来检测电子。

在一些实施例中，在上述方法中检测图像包括使用环形检测器，其仅检测已获得穿过样本的预定横向重分布的电子。

在一些实施例中，检测样品下方的电子源的图像包括通过使用盘形检测器来检测在样品内没有被移位的电子，以及通过使用环形检测器来检测在样品内被移位的电子，以及在一些实施例中，进一步包括调整投影器列的放大率，以使得样品中以高角度被散射的电子不影响检测器。

在一些实施例中，在扫描共焦透射电子显微镜中增加对比度的方法进一步包括，对检测器上的图像进行散焦以增强轻元素的信号。取决于应用，可以组合不同实施例的不同特征。

对于上述的所有权利要求而言，探针Cs校正器不是强制性的。非探针校正显微镜与探针Cs校正显微镜之间的唯一区别将是在可获得的横向分辨率上的区别。

虽然本发明及其优点已经被详细描述，但应当理解，在不脱离如由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本文所描述的实施例做出各种改变、替换和变更。此外，本申请的范围并非意在被限于说明书中所描述的过程、机器、制造、物质的组成、装置、方法和步骤的特定的实施例。作为本领域中的普通技术人员，根据本发明的公开将容易理解，作为本文所描述的对应实施例，基本上执行相同的功能或基本上实现相同结果的目前现有的或以后将要开发的过程、机器、制造、物质的组成、装置、方法或步骤，可以根据本发明而被利用。因此，所附的权利要求意在将这样的过程、机器、制造、物质的组合、装置、方法或步骤包括在其范围内。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种扫描共焦电子显微镜（SCEM），包括：

电子源，用于生成电子束；

第一偏转器，用于使所述电子束跨越样品的一部分进行扫描；

第一电子透镜，用于聚焦所述电子束以在所述样品处形成电子源的图像；

检测器，用于检测已穿过所述样品的电子；

第二电子透镜，用于聚焦来自所述样品的电子以在所述检测器处或附近形成图像；

第二偏转器，用于使所述电子束进行退扫描并将所述电子束引导到所述检测器；以及

图像校正器，用于校正退扫描图像。

2.权利要求1的SCEM，其中所述检测器是分段的。

3.权利要求1的SCEM，其中所述检测器具有的面积是投影到所述检测器平面上时的源的图像的面积的至少两倍，并且其中所述检测器平面与源平面是共轭的或接近共轭的。

4.权利要求1的SCEM，其中所述检测器包括盘形检测器，所述盘形检测器具有的直径是所述显微镜的横向分辨率的至少两倍。

5.权利要求3的SCEM，其中所述检测器包括盘形检测器。

6.权利要求3的SCEM，其中所述检测器包括环形检测器。

7.权利要求3的SCEM，其中所述检测器包括环形检测器和盘形检测器。

8.权利要求3的SCEM，其中所述检测器包括EELS分光计。

9.一种在扫描共焦透射电子显微镜中增加对比度的方法，包括：

从电子源生成电子束；

使所述电子束跨越样品进行扫描；

将电子束聚焦成在所述样品处的电子源的图像；

聚焦来自所述样品的电子束以在所述检测器处形成电子源的图像；

使所述电子束进行退扫描；

校正所述样品下方的电子源的图像中的球面像差；以及

检测下方的电子源的图像。

10.权利要求9的方法，其中检测所述图像包括通过弹性或非弹性散射来检测探针的空间重分布。

11.权利要求9的方法，其中检测所述图像包括使用环形检测器，其仅检测已获得穿过所述样品的预定横向重分布的电子。

12.权利要求9的方法，进一步包括对所述检测器上的图像进行散焦以增强轻元素的信号。

13.权利要求9的方法，其中检测所述样品下方的电子源的图像包括通过使用盘形检测器来检测在所述样品内没有被移位的电子，以及通过使用环形检测器来检测在所述样品内被移位的电子。

14.权利要求13的方法，进一步包括调整投影器列的放大率，以使得所述样品中以高角度被散射的电子不影响所述检测器。

15.权利要求10的方法，其中检测所述样品下方的电子源的图像包括通过使用EELS分光计来检测电子。

Claims (15)

1.一种扫描共焦电子显微镜（SCEM），包括：

电子源，用于生成电子束；

第一偏转器，用于使所述电子束跨越样品的一部分进行扫描；

第一电子透镜，用于聚焦所述电子束以在所述样品处形成电子源的图像；

检测器，用于检测已穿过所述样品的电子；

第二电子透镜，用于聚焦来自所述样品的电子以在所述检测器处或附近形成图像；

第二偏转器，用于使电子束进行退扫描并将电子束引导到检测器；以及

图像校正器，用于校正退扫描图像。

2.权利要求1的SCEM，其中所述检测器是分段的。

3.权利要求1的SCEM，其中所述检测器具有的面积是投影到所述检测器平面上时的源的图像的面积的至少两倍，并且其中所述检测器平面与源平面是共轭的或接近共轭的。

4.权利要求1的SCEM，其中所述检测器包括盘形检测器，所述盘形检测器具有的直径是所述显微镜的横向分辨率的至少两倍。

5.权利要求3的SCEM，其中所述检测器包括盘形检测器。

6.权利要求3的SCEM，其中所述检测器包括环形检测器。

7.权利要求3的SCEM，其中所述检测器包括环形检测器和盘形检测器。

8.权利要求3的SCEM，其中所述检测器包括EELS分光计。

9.一种在扫描共焦透射电子显微镜中增加对比度的方法，包括：

从电子源生成电子束；

使所述电子束跨越样品进行扫描；

将所述电子束聚焦成在所述样品处的电子源的图像；

聚焦来自所述样品的所述电子束以在检测器处形成电子源的图像；

使电子束进行退扫描；

校正所述样品下方的电子源的图像中的球面像差；以及

检测下方的电子源的图像。

10.权利要求9的方法，其中检测所述图像包括通过弹性或非弹性散射来检测探针的空间重分布。

11.权利要求9的方法，其中检测所述图像包括使用环形检测器，其仅检测已获得穿过样本的预定横向重分布的电子。

12.权利要求9的方法，进一步包括对检测器上的图像进行散焦以增强轻元素的信号。

13.权利要求9的方法，其中检测所述样品下方的电子源的图像包括通过使用盘形检测器来检测在所述样品内没有被移位的电子，以及通过使用环形检测器来检测在所述样品内被移位的电子。

14.权利要求13的方法，进一步包括调整投影器列的放大率，以使得所述样品中以高角度被散射的电子不影响所述检测器。

15.权利要求10的方法，其中检测所述样品下方的电子源的图像包括通过使用EELS分光计来检测电子。

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