CN103038856B

CN103038856B - 带电粒子检测器

Info

Publication number: CN103038856B
Application number: CN201180039297.7A
Authority: CN
Inventors: E.克尼德勒; J.H.奥尔洛夫
Original assignee: FEI Co
Current assignee: FEI Co
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2031-08-10
Also published as: JP5997153B2; JP2013535800A; US20120037802A1; CN103038856A; EP2603926B1; WO2012021652A2; EP2603926A4; US8907305B2; US8481962B2; WO2012021652A3; EP2603926A2; US20130214156A1

Abstract

公开了一种用于成像和处理目标的带电粒子束系统，包括带电粒子柱、二次粒子检测器、以及位于目标和检测器之间的二次粒子检测栅极组件。在一个实施例中，栅极组件包括多个栅极，每个具有独立偏压，其中，目标和栅极之间的电场可使用栅极电压调节以优化到达检测器的二次粒子的空间分布。由于检测器寿命由检测器上的接收最大剂量的区域处积聚的总剂量确定，通过使得进入检测器的剂量空间上更一致，可增加检测器寿命。具有径向电压梯度的单个电阻栅极组件可取代独立栅极。多个偏转电极可位于目标和栅极之间以增强电场的成形。

Description

带电粒子检测器

技术领域

本发明总体上涉及聚焦带电粒子系统，且具体地涉及减少用于二次粒子的检测器中的损害和污染。

背景技术

在带电粒子系统中，包括电子显微镜和聚焦离子束系统两者，柱通常用于将带电粒子束聚焦到目标表面上以使用该束成像和（任选地）处理。为了形成目标的图像，需要将该束偏转跨过目标表面，通常以光栅模式。由于带电粒子束与目标的碰撞，二次粒子被发射且可收集以形成成像信号。作为示例，电子束将刺激从目标发射二次电子。聚焦离子束将刺激二次电子和二次离子（通常带正电）两者的发射。二次粒子检测器用于这些系统中以产生所需成像信号－这些检测器可由其收集效率表征，即，发射的二次粒子实际上被检测器收集的比例。为了提高该收集效率，“收集”栅极通常设置在目标和检测器之间。施加到该栅极的电压在目标和栅极之间形成电场以吸引二次粒子，二次粒子然后穿过栅极（稀筛网或其它几乎透明的结构）且然后到达检测器。

不幸的是，已经发现，随着时间的经过，由于对检测器的损害和/或检测器表面上污染物的积聚，二次检测器可展现效率损失。该损害来自于检测器被进来的二次粒子的高能量轰击，这可破坏检测器材料。污染物用薄膜（例如，来自于带电粒子束与真空系统中的微量气体相互作用的聚合烃）覆盖检测器－通常，这些气体来自于带电粒子束与目标的相互作用，因而甚至在具有非常低基准压力的系统中也难以避免。通常，该损害在检测器表面上是不一致的。由于来自于目标的二次粒子的发射模式以从目标向上的方向（服从余弦定律）集中，因而引起该不一致性。如果检测器是包围一次带电粒子束的环面体，那么所收集二次粒子的大多数将在中心附近撞击检测器。因而，检测器的积聚损害和/或污染也将集中于中心附近。检测器寿命由最多损害或污染区域确定（即使检测器表面的大多数仍然起作用），从而在检测器中心由于损害和/或污染变得不可用时，整个检测器必须更换、修理或清洁。因而，在带电粒子系统中，通过使得损害和/或污染速率在带电粒子检测器的区域上更一致来改进检测器寿命是有利的，以改进总体检测器寿命。

发明内容

本发明的目的是改进带电粒子系统中的二次粒子检测器的寿命。

本发明通过提供在检测器上更均匀地散布二次粒子的检测器组件从而减少对检测器的否则更快降级的部分（由于不成比例的大数量的二次粒子撞击在检测器的那些部分上）的损害来增加二次粒子检测器的有用寿命。在一些实施例中，设置在目标和检测器之间的栅极提供在检测器上更均匀地散布二次粒子的场。所述栅极可包括多个部段，每个处于不同电势，或者电阻栅极可以在单个栅极部段内提供不同电势。

前述已经相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优势，以便可以更好地理解下述的本发明的详细说明。本发明的附加特征和优势将在下文被描述。本领域技术人员应当理解的是，所公开的构思和具体实施例可以被容易地用作修改或设计用于实施本发明的相同目的的其它结构的基础。本领域技术人员还应当容易认识到，这种等同构造不偏离由所附权利要求书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势，现结合附图参考下述说明，在附图中：

图1A示出了带电粒子系统中的现有技术带电粒子检测器；

图1B是图1A的现有技术带电粒子检测器的一部分，示出了检测器增益根据检测器输出电流的时间积分而变的曲线图；

图2A示出了本发明的第一实施例，包括多个环状收集栅极；

图2B是图1A的本发明的第一实施例的一部分，示出了检测器增益根据检测器输出电流的时间积分而变的曲线图；

图3示出了本发明的第二实施例，包括单个电阻环状收集栅极；

图4示出了本发明的第三实施例，包括用于吸引带电粒子的多个偏转电极；

图5示出了本发明的第四实施例，包括带有多个收集栅极的偏轴带电粒子检测器；

图6示出了多个栅极的第一偏压电路的电气示意图；

图7示出了多个栅极的第二偏压电路的电气示意图；

图8示出了本发明的第一实施例的另一型式，包括闪烁器、光管和光电倍增管；

图9示出了本发明的另一个实施例，应用于透射电子显微镜（TEM）；和

图10示出了本发明的另一个实施例，应用于扫描透射电子显微镜（STEM）。

图11示出了本发明的另一个实施例，使用磁体来跨过检测器分配二次粒子。

具体实施方式

本发明提供在二次带电粒子撞击在检测器上之前使二次带电粒子偏转的场，以减少撞击在带电粒子检测器上的带电粒子的最大电流密度，从而延长带电粒子检测器的有用寿命。“最大电流密度”指的是在检测器的任何区域上的最高电流密度。二次带电粒子的分布比在没有所提供场的情况下更一致。

在一个实施例中，本发明在目标和二次粒子检测器之间设置多个二次粒子收集栅极。每个栅极上的电压可独立控制以便在目标和收集栅极阵列之间形成电场，电场将二次粒子偏转更偏轴。二次粒子的该偏转使得到达检测器的二次粒子的分布比在单个收集栅极的情况下空间上更一致。本文使用的术语“二次粒子”包括来自于一次束的反向散射粒子。

在第二实施例中，电阻栅极取代栅极阵列使用。电压跨过电阻栅极施加以形成与在第一实施例中使用独立栅极感应的大约相同的电场。

在第三实施例中，多个偏转电极设置在收集栅极和目标之间，同样，目的在于形成使得检测器处的二次粒子分布更一致所需的电场。

本发明的实施例还可以用于检测器在成像模式使用的情况，如本文所示用于透射电子显微镜（TEM-图9）和扫描透射电子显微镜（STEM-图10）。在这些应用中，通常存在由于柱的光学设计的考虑而使得整个检测器区域不能用于成像的情况。因而，检测器处的粒子分布同样不一致（通常在柱的对称轴线周围更集中）。本发明的实施例可允许更多检测器区域（通常，距柱的对称轴线更远的区域）用于成像，从而增加检测器寿命。对于这些成像应用，可能不能使得信号电流在检测器处完全一致，因为撞击检测器的粒子的空间分布传输图像信息。位置信息通过扩展二次带电粒子空间分布来保持，即，保持二次粒子距柱的光轴的相对位置。成像检测器的附加益处可以是成像分辨率的增加－这来自于在检测器的更大区域上散布成像信号可允许在检测器阵列内使用更多数量的检测器元件以形成图像的事实。

本发明的一些实施例的其它益处在于在否则将发生检测器增益的局部饱和的情况下较高信号增益的可能性。例如，熟知的是，多通道板（MCP）将输入信号电流放大高达10⁶-10⁷－该放大在MCP的许多通道内发生。如果大输入信号电流仅仅撞击MCP的小区域，那么可能使得MCP的该区域的局部增益饱和，而MCP的其它区域（接收较低输入电流）仍保持其初始（较高）增益。MCP的该饱和由于“电流载荷”影响而发生，其中，MCP的内在电阻防止足够的供应电流到达MCP的饱和区域以提供正常水平的信号放大。由于本发明在检测器的更大和更一致区域内散布输入电流，因而这些局部饱和影响应当减小或消除。这对应于总体检测器响应的更宽范围线性（即，饱和前更高的增益）。

虽然本领域普通技术人员将容易认识到许多可选实施例，尤其是根据本文提供的说明，该详细说明是本发明的优选实施例的例示，本发明的范围仅仅由所附权利要求限制。

本发明源于认识到带电粒子系统中二次粒子检测器的寿命可能受到两个因素不利地影响：

1）由于二次粒子轰击对检测器的损害；和

2）由于由二次粒子轰击引起检测器上材料的聚合和沉积，检测器的污染。

典型类型的二次电子检测器包括：

1）多通道板（MCP）－这些类型的检测器具有在检测器收集区域内并联操作的大数量的非常小通道。每个通道独立于其它通道操作，在每个通道内的级联放大的过程中，将进来的二次粒子电流放大高达10⁶-10⁷的因数。该放大电流然后在位于MCP的远侧（即，与接收输入信号电流的那一侧相对的一侧）上的一个或多个阳极上收集。通常，为了避免“离子反馈”，采用两级结构，其中，第一级中的通道具有与第二级不同的角度，从而消除正离子从出口返回MCP入口的“视准线”行进。

2）PIN二极管－这些类型的检测器本质上是二极管，其中，进来的二次粒子产生电子孔对的级联。PIN二极管检测器的增益与进来的二次粒子的能量成比例。

3）闪烁器+光管+PMT－该常用类型的检测器通过由于二次粒子的碰撞在闪烁器材料（通常是晶体或塑料）内初始产生光而操作。该光然后传输通过光管到达光电倍增管（PMT），通常位于包括二次粒子检测器的带电粒子系统的真空封装外。

所有这三个检测器具有共同特征：如果检测器的任何部分变得不可用，那么整个检测器将变得不可用。由于检测器的每个具体区域的损害和/或污染速率通常与进入该具体区域的输入信号的积分总剂量成比例，因而，确保检测器的所有区域接收类似剂量率无疑是有利的，以确保最大化检测器寿命（即，整个检测器在大约相同时间变得不可用）。当仅仅检测器的小区域接收不成比例的大比例的总二次粒子通量时，该区域无疑将比在二次粒子通量更均匀地分布在检测器的整个收集区域上的情况下更快损害和/或污染。此外，对于MCP，如果MCP检测器的小区域接收不成比例的大比例的输入信号电流时，可能发生局部增益饱和，从而导致检测器区域内的非线性。

图1A示出了现有技术带电粒子检测器100，其中，带电粒子柱102将带电粒子束104聚焦到目标108的表面上的位置106。由于带电粒子束104与目标108的碰撞，二次粒子118、119、120和152可从目标发射。对于带电粒子束104是电子束的情况，这些二次粒子将是二次电子。对于带电粒子束104是聚焦离子束（FIB）的情况，二次电子和二次离子（大多数是正电）两者可从目标108发射。通常，二次粒子（在法向入射一次束104的情况下）的发射模式往往服从Lambert或余弦定律角分布，在一次带电粒子束104与目标108碰撞点106处集中在垂直于目标108表面的轴线周围。在现有技术中，提供电流增益的环状检测器110（在此显示为两级多通道板）和收集阳极111通常安装在带电粒子柱102的底部上，如图1所示。为了增强二次粒子的收集，可以采用由内环114和外环116支撑的收集栅极112。单个电压施加到收集栅极112以将二次粒子朝向栅极112抽吸，其对于大多数穿过栅极112且随后由检测器110和收集阳极111收集的二次粒子来说基本上是透明的。检测器110可包括多通道板（MCP），在该情况下，信号电流收集在阳极111上，如图所示。可选地，检测器110可包括PIN二极管检测器、联接到光管和光电倍增管（参见图8）的闪烁器、或可能其它类型的带电粒子检测器－在这些情况下，阳极111可能是不必要的，因为信号由检测器110本身获得。检测器110和阳极设计111的细节是本领域熟知的。

由于二次粒子的余弦发射模式，一些粒子152将太靠近柱102的轴线发射而不能被栅极112收集，因而将向上穿过带电粒子柱102的孔，且将未被检测。从目标108以比粒子152稍微更大的角度发射的那些二次粒子118穿过栅极112以收集在检测器110中心附近，如图所示。以大很多的角度发射的较小部分的二次粒子120更偏轴地穿过收集栅极112，且收集在检测器110的外边缘附近。本领域熟知的是，许多类型的检测器（例如多通道板、PIN二极管和闪烁器）展现根据进入检测器的每个区域的总积分信号电流而变的损害机制。因而，对于MCP检测器110，靠近中心孔（允许一次束104通到目标108所需）的区域将在MCP 110的外部区域之前损害。类似情况适用于PIN二极管和闪烁器。除了损害之外，检测器还可能由来自于目标和检测器之间的欠佳真空的聚合烃污染－注意到这可能由于束-目标相互作用发生，甚至在基准真空水平将足够以防止污染的情况下也是如此。在任一情况下，整个检测器的寿命由在检测器上任何地方何时发生一定水平的损害和/或污染来确定，即使检测器的其余部分还没有损害和/或污染到不可用程度。与二次粒子在检测器110表面上更一致分布的情况相比，在图1所示的现有技术配置中的检测器110的寿命可显著地减小。

图1B示出了来自于图1A的现有技术带电粒子检测器100的一部分。检测器110以在输入信号收集表面（图1A中检测器110的下表面）处向上看的视图示出。输入信号电流集中于检测器110中心附近使用从检测器110的边缘到中心的逐渐更重交叉影线图示。检测器110分别在中心、中部和边缘处的三个区域140、142和144用圆圈表示，箭头指向下面的对应曲线图。

在检测器110的中心孔的内边缘140（图1A中的环114附连的地方）开始，曲线图170是在检测器110的寿命内根据区域140的输出（即，放大）信号电流的时间积分171而变的局部信号增益172的曲线。如图所示，增益曲线174具有初始高水平176，在输出信号电流的一定总时间积分内保持（即，一定总输出信号电荷），然后增益曲线174在曲线图170右侧下降至较低水平178。由于区域140处的输入信号电流相对高，表示输出信号电流的时间积分的交叉影线延伸到线179，几乎在增益曲线174将开始下降的点处。因而，检测器110的有用寿命几乎结束。

在检测器110的中部区域142，输入信号电流处于中等水平。曲线图160是在检测器110的寿命内根据区域142的输出信号电流的时间积分161而变的局部信号增益162的曲线。如图所示，增益曲线164具有初始高水平166，在输出信号电流的一定总时间积分内保持，然后增益曲线164在曲线图160右侧下降至较低水平168。与曲线图170的主要差别在于，交叉影线仅仅延伸到线169，距增益164将下降的点有明显距离－因而，在区域142，检测器110仍具有大量的有用寿命剩余。当然，由于检测器寿命取决于可使用的所有区域，因而区域142的该局部残余寿命不能使用，因为区域140基本上没有残余寿命。

类似考虑适用于检测器110的外部区域144－其中，曲线图150是在检测器110的寿命内根据区域144的输出信号电流的时间积分151而变的局部信号增益152的曲线。如图所示，增益曲线154具有初始高水平156，在输出信号电流的一定总时间积分内保持，然后增益曲线154在曲线图150右侧下降至较低水平158。由于区域144处的输入信号电流与区域142和140处的输入信号电流相比相对低，因而交叉影线区域的边缘159更靠左，表明在时间区域140接近变得不可用时在检测器110的边缘处的区域144处的大多数检测器寿命还没有使用。曲线图150、160和170的对比图示了在区域140、142和144之间的输入信号电流不相等时检测器110的寿命可能如何显著减小。

图2A示出了本发明的第一实施例200，包括由内环214和外环216支撑的多个环状收集栅极222、224、226和228。栅极的准确数量由期望电场一致性程度确定。栅极的数量优选在2和大约20之间，更优选在（滑稽的是）2和8之间，最优选在3和5之间。带电粒子柱202将带电粒子束204聚焦到目标208的表面上的位置206。由于束204与目标208碰撞，二次粒子可从目标208发射。下面的图6和7讨论了可以用于将不同偏压施加到内环214、环状栅极222、224、226和228、以及外环216的两个电路。偏压设定为产生将二次粒子拉离柱202、检测器210和收集阳极211的对称轴线的电场。因而，在电场的影响下，二次粒子232穿过栅极222，二次粒子234穿过栅极224，二次粒子236穿过栅极226，二次粒子238穿过栅极228。在对称轴线附近发射的二次粒子252未被收集。图1A和2A的对比表明，进入栅极222、224、226和228的二次粒子的径向分布此时相对不集中在检测器210和收集阳极211的对称轴线附近。最终结果是此时检测器210的更大比例的收集区域有效地用于提供信号增益，可能减少或消除上述信号增益饱和影响。由于进入检测器210的电流分布更一致，图1A讨论的损害和/或污染机制也将在检测器210的整个收集区域内更一致地发生。因而，检测器210在损害和/或污染方面的寿命应当增加，从而减少包括该检测器系统200的系统的维护成本。

图2B是图2A的本发明的第一实施例的带电粒子检测器200的一部分。检测器210以在输入信号收集表面（图2A中检测器210的下表面）处向上看的视图示出。本发明允许的在检测器210的收集区域内输入信号电流的相对一致性使用跨过检测器110的全部收集区域的一致交叉影线图示（与图1B相比）。突出了检测器210的分别在中心、中部和边缘处的三个区域240、242和244。

在检测器210的中心孔的内边缘240（图2A中的环214附连的地方）开始，曲线图270是在检测器210的寿命内根据区域240的输出（即，放大）信号电流的时间积分271而变的局部信号增益272的曲线。如图所示，增益曲线274具有初始高水平276，在输出信号电流的一定总时间积分内保持（即，一定总输出信号电荷），然后增益曲线274在曲线图270右侧下降至较低水平278。由于区域240处的输入信号电流比图1B的可比较曲线图170更低，表示输出信号电流的时间积分的交叉影线延伸到线279，仅仅在增益曲线274将开始下降的点的途中的大约一半。因而，检测器210的有用寿命的大约一半剩余，与图1B的情况不同。

在检测器210的中部区域242，输入信号电流处于与区域240大概相同的水平。曲线图260是在检测器210的寿命内根据区域242的输出信号电流的时间积分261而变的局部信号增益262的曲线。如图所示，增益曲线264具有初始高水平266，在输出信号电流的一定总时间积分内保持，然后增益曲线264在曲线图260右侧下降至较低水平268。要注意的是，交叉影线延伸到线269，沿轴线261处于与线279在曲线图270中沿轴线271大概相同的位置－因而，在区域242，检测器210仍然具有与区域240相同的有用寿命剩余。

类似考虑适用于检测器210的外部区域244－其中，曲线图250是在检测器210的寿命内根据区域244的输出信号电流的时间积分251而变的局部信号增益252的曲线。如图所示，增益曲线254具有初始高水平256，在输出信号电流的一定总时间积分内保持，然后增益曲线254在曲线图250右侧下降至较低水平258。由于区域244处的输入信号电流与区域242和240处的输入信号电流类似，因而交叉影线区域的边缘259沿轴线251处于与线269和279分别沿轴线261和271大概相同的位置。曲线图250、260和270的交叉影线区域的对比图示了在区域240、242和244之间的输入信号电流通过本发明均衡时检测器210的寿命可以如何显著地增加。

图3示出了本发明的第二实施例300，包括由内环314和外环316支撑的单个电阻环状收集栅极312。带电粒子柱302将带电粒子束304聚焦到目标308的表面上的位置306。如图1和2那样，带电粒子束304与目标308碰撞可引起二次粒子的发射。图2中的第一实施例使用一系列同心环状栅极来产生电场，以将二次粒子拉离轴线且向外到通常接收较低二次粒子电流的检测器区域。图3中所示的本发明第二实施例使用电阻栅极312，在电阻栅极312上，施加由内环314和外环316之间的电压差引起的径向电压梯度。在由检测器310收集二次电子的情况下，径向力矢量324将对应于外环316上的更多正电压和内环314上的更少正电压。在由检测器310收集（正）二次离子的情况下，内环314和外环316上的相对电压将相反。由于二次粒子（电子或离子）的一些部分将撞击电阻栅极312，因而需要确保栅极312中得到的电流不会影响栅极312中期望的径向电压梯度，以建立使得到达检测器310和收集阳极311的二次粒子的径向分布均衡所需的恰当电场。这是在光电倍增管（PMT）中可见的类似情况，其中，通常用于在倍增极上产生电压的电阻器排中的电流被指定为PMT内的最大内部电流的至少十倍。当该条件不满足时，电阻栅极312内的电压分布将不会产生穿过图3所示的电阻栅极312的轨迹332、334、336和338的期望分布。检测器310（在此显示为提供电流增益的环状两级多通道板）和收集阳极311通常安装在带电粒子柱302的底部上。如图1和2那样，在柱302、检测器310和收集阳极311的对称轴线附近发射的二次粒子的小部分352将向上穿过柱302的孔且将未被检测。

图4示出了本发明的第三实施例400，包括用于吸引二次粒子远离柱402、检测器410和收集阳极411的对称轴线的多个偏转电极424。带电粒子柱402将带电粒子束404聚焦到目标408的表面上的位置406。如图1至3那样，带电粒子束404与目标408碰撞可引起二次粒子（可以是二次电子和/或二次离子）的发射。收集栅极412由内环414和外环416支撑。在第三实施例的一个型式中，内环414、栅极412和外环416可具有相同电压－在该情况下，偏转电极424在检测器510和收集阳极511处产生二次粒子的更一致分布。在第三实施例的另一个型式中，第一实施例的多个栅极可以代替导电栅极412，从而允许借助于偏转电极424和多个同心环状收集栅极（例如图2中的栅极222、224、226和228）两者产生径向电场。在第三实施例的又一个型式中，第二实施例的电阻收集栅极312（参见图3）可以代替导电栅极412，从而允许借助于添加的偏转电极424和电阻栅极312两者产生径向电场。在二次电子收集的情况下，偏转电极424将施加正偏压，以径向向外吸引二次电子，如力矢量460所示，因而通过栅极412到检测器410上比否则更大的半径。对于（正）二次离子，负偏压将施加到偏转电极424，同样使得力矢量460径向指向外。在对称轴线附近发射的二次粒子452未被收集。检测器410（在此显示为提供电流增益的环状两级多通道板）和收集阳极411通常安装在带电粒子柱402的底部上。

图5示出了本发明的第四实施例500，包括带有由内部电极514和外部电极516支撑的多个收集栅极522、524、526和528的偏轴带电粒子检测器－栅极522、524、526和528的机械支撑的细节不是本发明的一部分且未示出。要注意的是，对于该第四实施例，没有假定或需要圆对称。带电粒子柱502将带电粒子束504聚焦到目标508的表面上的位置506。如图1至4那样，由于束504与目标508碰撞，二次粒子可从目标508发射。栅极522、524、526和528上的不同偏压被调节以产生将二次粒子拉离柱502的对称轴线的电场（虽然对于该实施例而言检测器不需要对称，但是柱502将通常仍保持相对于束形成光学器件而言圆对称）－在该示例中，朝向图5的右边。因而，在电场的影响下，二次粒子532穿过栅极522，二次粒子534穿过栅极524，二次粒子536穿过栅极526，二次粒子538穿过栅极528。如同图2至4应用于前三个实施例的圆对称检测器那样，相同考虑适用于该非圆对称检测器系统－栅极522、524、526和528上的电压可以调节以扩展进入检测器510和收集阳极511的二次粒子的分布，从而使得任何损害和/或污染机制也更一致。在对称轴线附近发射的二次粒子552未被收集。检测器510（在此显示为提供电流增益的两级多通道板）和收集阳极511通常安装在带电粒子柱502的底部上。

图6示出了由内部电极614（对应于图2中的内环214或图5中的内部电极514）和外部电极616（对应于图2中的外环216或图5中的外部电极516）支撑的多个栅极622、624、626和628的第一偏压电路的电气示意图600。电路600可应用于图2和5所示的检测器系统，且在图4的检测器系统与图2的分段栅极结构结合时也可应用。检测器610可表示环状检测器（例如，图2的检测器210）或偏轴检测器（例如，图5的检测器510）的一侧。在任一情况下，对称轴线640表示产生进入检测器610和收集阳极611的二次粒子的带电粒子柱的光轴。dc功率源602通过第一线604连接到电极614且通过第二线606连接到电极616。检测器610和收集阳极611的电压偏压连接不是本发明的一部分且未示出。收集栅极组件包括在电极614和电极616之间通过电阻器632、634、636、638和640串联连接的四个栅极622、624、626和628。栅极的准确数量将由期望电场一致性程度确定且不是本发明的一部分。在图3中讨论的相同考虑适用于此－优选确保从dc功率源602流动通过电极614和616、栅极622、624、626和628、以及电阻器632、634、636、638和640的电流显著高于（通常十倍）可能撞击任何栅极622、624、626和628的任何预期二次粒子电流，以确保没有“电流载荷”，从而引起目标（未示出）和检测器610之间的电场分布的不希望偏移。电路600的可能问题是需要电阻器634、636和638（但不必是电阻器632和640）安装在所附连的相继栅极之间－这可能是不希望的，因为电阻器634、636和638于是将暴露于来自于目标的二次粒子通量的一部分。这可引起对电阻器的外表面的充电，其会干扰期望电场分布。二次粒子通量还可能损害电阻器，引起相邻收集栅极之间的不正确电阻值或甚至短路。

图7示出了由内部电极714（对应于图2中的内环214）和外部电极716（对应于图2中的外环216）支撑的多个栅极722、724、726和728的第二偏压电路的电气示意图700。电路700可应用于图2所示的检测器系统，且在图4的检测器系统与图2的分段栅极结构结合时也可应用。图5所示的偏轴检测器系统可不需要电路700，因为非圆对称检测器系统具有均压电阻器（grading resistor）的空间，而不需要本文所示的屏蔽电缆配置。检测器710可表示环状检测器（例如，图2的检测器210）的一侧。对称轴线740表示产生进入检测器710和收集阳极711的二次粒子的带电粒子柱的光轴。dc功率源702通过第一线704连接到电极714且通过第二线706连接到电极716。检测器710和收集阳极711的电压偏压连接不是本发明的一部分且未示出。收集栅极组件包括在电极714和电极716之间通过电阻器732、734、736、738和740串联连接的四个栅极722、724、726和728。栅极的准确数量将由期望电场一致性程度确定且不是本发明的一部分。注意到，在电气上，图7与图6相同－差别在于五个分压器电阻器732、734、736、738和740的物理位置和添加同轴屏蔽件752、754、756、758、760和762。如图6所讨论的，将分压器电阻器定位在栅极组件中的相继栅极之间可能是有问题的。图7图示了可选结构，其中，电阻器732、734、736、738和740可位于栅极组件外，从而避免图6讨论的问题。然而，将未屏蔽线简单地连接到每个栅极将产生新问题－因为这些线需要必须从每个环状栅极向外延伸，将在来自于内部环状栅极（例如，722、724和726）和在被连接的具体环状栅极外的所有环状栅极（例如，对于栅极722，是栅极724、726和728）的线之间将存在重叠。该问题的一个可能方案在本文图示－连接到内部环状栅极722的线穿过一系列同轴屏蔽件752、754和756，且然后连接到在dc功率源702的输出线704和706之间连接的分压器构成电阻器732、734、736、738和740中的电阻器732和734。类似地，连接到环状栅极724的线穿过同轴屏蔽件758和760，且然后连接到分压器中的电阻器734和736。以相同的方式，来自于栅极726的线穿过同轴屏蔽件762，且然后连接到分压器中的电阻器736和738。连接到外部环状栅极728的线可以直接连接到分压器中的电阻器736和738。环状栅极722和内环714之间的电连接在外侧通过电阻器732完成，如图所示。所有屏蔽件752、754、756、758、760和762实质上表示同轴电缆的短部段。每个屏蔽件的外部导体被电气地（且任选地，还机械地）连接到相应栅极（例如，屏蔽件752连接到栅极724），从而当每个线穿过环状栅极时，没有由中心线（由于每个栅极电压设定为最佳带电粒子收集的期望值，因而当然处于不同电压）感应的电场。相继屏蔽件之间（例如，屏蔽件752和754之间）的线的短部段将可能需要剥离同轴电缆绝缘件（因而，留下中心线的短部段暴露，例如，来自于栅极722的线暴露在屏蔽件752和754之间），以避免由于收集在暴露绝缘件上的二次粒子可能发生的可能充电影响。

图8示出了本发明的第一实施例的型式800，包括闪烁器860、光管862和光电倍增管864，以及由内环814和外环816支撑的多个环状收集栅极822、824、826和828－栅极822、824、826和828的机械支撑的细节不是本发明的一部分且未示出。带电粒子柱802将带电粒子束804聚焦到目标808的表面上的位置806。上文的图6和7讨论了可以用于将不同偏压施加到内环814、环状栅极822、824、826和828、以及外环816的两个电路。二次粒子832穿过栅极822，二次粒子834穿过栅极824，二次粒子836穿过栅极826，二次粒子838穿过栅极828。图8相对于图2的主要差别在于闪烁器860、光管862和光电倍增管864取代图2所示的多通道板（MCP）检测器210和收集阳极211。类似于多通道板，闪烁器也展现由于带电粒子轰击造成闪烁器分子或晶体结构变化引起的长期损害。闪烁器还可以通过聚合烃等变得污染。因而，上文讨论的相同损害和/或污染问题适用于此。闪烁器860在由高能量带电粒子832、834、836和838轰击时发射光866。光866穿过光管862且经受光管862的壁处的总体内部偏转，然后进入光电倍增管864。在对称轴线附近发射的二次粒子852未被收集。

不同检测器类型和栅极几何形状的多种组合在图2至5和8中图示。表1列举了多个检测器系统配置－在本发明的范围内，其它检测器类型和偏压电路也是可能的。

表1 不同检测器系统配置和对应检测器和电连接。

图2至5讨论的本发明的各个实施例适用于非成像检测器，即，其中，到达检测器且然后传输给收集阳极（如果检测器是多通道板）的成像信号不携带位置信息。在这些示例中，整个检测器产生单个成像信号，不管二次粒子（携带成像信息）在哪里撞击检测器和收集阳极表面。因而，多个栅极、电阻栅极或偏转电极的设计将仅仅优化用于进入检测器和收集阳极的更一致电流。本发明的实施例还可应用于成像粒子携带强度和位置信息两者的那些可选情况。在这些情况下，我们不能自由忽略在检测器上在哪里撞击二次粒子，且收集阳极将通常包括多个独立检测器，每个收集来自于多通道板的小区域的（放大）电流。这与图2的检测器系统200不同，其中单个收集阳极211接收由检测器210产生的所有放大信号电流，而不管初始二次粒子在检测器210上在哪里到达。图9和10讨论本发明应用于成像检测器的两个示例性情况－其它情况也落入本发明的范围内。

图9示出了本发明应用于透射电子显微镜（TEM）的检测器系统900。在TEM中，聚光器和投射器光学系统将一次电子束902投射到被成像样本904的表面上。如图9所示，电子906和907从样本904内的各个位置散射。为了简单起见，电子906和907表示在样本904内以角度偏转使得电子906和907未偏转地穿过透镜908、然后向下行进到包括由环电极930支撑的多个环状栅极（包括最外栅极932和最内栅极933）的检测器系统、然后进入两级多通道板934且最终到达收集阳极组件936（包括多个收集元件（包括元件914和924））的特定电子轨迹。不是所有从样本904出现的电子都穿过透镜908的中心－电子904和942图示将穿过物镜908然后由透镜908聚焦到环状栅极932上的散射电子的典型包络线。由于施加到环状栅极的电压，在透镜908和多个环状栅极之间的二次粒子上的向外径向力950产生。作为示例，从样本904底部出现的轨迹906穿过透镜908，变成轨迹910，然后由力950向外偏转，变成进入最外环状栅极932的轨迹912。从样本904上相同位置出现的轨迹940和942在由透镜908聚焦之后分别变成轨迹944和946，在栅极932上与轨迹912大约相同位置到达。在通过两级多通道板934电流放大之后，与穿过栅极932的电流成比例的电流收集在收集阳极组件936的元件914上－要注意的是，由穿过栅极932的输入信号携带的位置信息通过使用收集阳极组件936而不是单个收集电极（例如图2中的收集电极211）保留。

更靠近轴线的电子轨迹907穿过透镜908，变成轨迹920，然后由力矢量950向外偏转，变成进入最内环状栅极933的轨迹922，然后在电流放大之后，信号电流由收集阳极组件936的元件924收集。同样，到达栅极的输入信号中的位置信息保留（其刚好以可以提前标定或计算的1：1映射径向向外拉伸）。图9示出了本发明的成像检测器实施例－没有分段收集栅极组件，到达多通道板934和收集阳极组件936的电子轨迹将更集中在MCP 934中心附近。这可以通过在没有径向向外力矢量950的情况下将轨迹910和920外推一直到栅极组件的入口平面看出。于是可以清楚，收集阳极组件936产生的成像信号将来自于元件924附近的较少数量的收集元件，且收集阳极组件的外边缘处的元件914将根本不接收任何电流。现在可以看出成像检测器应用的本发明的一些实施例的两个可能优势：

1）检测器934的损害和/或污染将更一致，导致更长检测器寿命－这是与上文对于非成像检测器可知相同的益处。

2）成像分辨率可能增加，因为现在使用比束更集中在检测器组件934和收集阳极组件936中心附近的情况更多数量的收集元件（例如，外部元件914）。

图10示出了本发明的实施例应用于扫描透射电子显微镜（STEM）的检测器系统1000。在STEM中，电子束1002聚焦在样本1004表面上且通过偏转系统以光栅模式扫描，以产生图像，类似于扫描电子显微镜（SEM）中的成像过程。当电子束1002穿过样本1004时，束中的电子通过样本1004中的原子核（导致“弹性散射”）和样本1004中的电子（导致“非弹性散射”）散射。作为示例，电子1008以较大角度散射，特征为弹性散射电子。电子1011具有小散射角度，且可以是非弹性散射。两种类型的电子都包含关于样本1004的重要结构和成分信息，且优选配置检测器系统1000同时收集两种成像信号。本领域熟知的是，弹性信号与非弹性信号的比与样本的局部原子数量成比例。通常，STEM检测器光学器件将包括在样本1004下方的透镜1010（通常，该透镜通过物镜磁场的在样本平面下方的部分形成，但是附加透镜也可引起图10中单个透镜1010所示的最终聚焦效果）。偏轴轨迹1008由透镜1010聚焦，导致轨迹1009。类似地，近轴轨迹1011由透镜1010聚焦，导致轨迹1012（在此，忽略透镜1010中的偏差）。在没有径向向外力1050的情况下，轨迹1009和1012将在轴线附近（中心处）到达收集栅极。借助于由收集栅极组件中的环状栅极（例如，栅极1032和1033）上的电压产生的径向向外力1050，到达两级多通道板1034和然后收集阳极组件1036的输入信号电流将填充相应可用检测器和收集区域的更大部分。例如，轨迹1009向外偏转，变成轨迹1014，穿过最外环状栅极1032，且然后相应（放大）电流到达最外收集元件1016。类似地，轨迹1012向外偏转，变成轨迹1024，穿过最内环状栅极1033，且然后相应（放大）电流到达最内收集元件1026。同样，要注意的是，信号1008和1011携带的散射角信息保留，连同信号1008和1011中的相对电流携带的图像强度信息一起。如果所有扫描系统（例如，SEM和STEM）中那样，位置信息是信息收集的时间与光栅扫描期间束的（已知）位置有关。图9讨论的两个相同益处也适用于此－增加检测器寿命和可能改进成像分辨率。

借助于小修改，图10还适用于STEM中电子散射的情况。如果一次束1002几乎平行地形成且照射样本1004的稍微更大区域，同时不跨过样本1004光栅扫描，那么可能获取电子衍射图像－在该情况下，各个轨迹1008和1010将对应于不同散射角。上述所有其它考虑也将适用于该示例。

一些实施例使用磁场来在检测器内更均压地散布二次电子或离子。图11示出带电粒子束系统1102，其中，沿一次束轴线1104引导的一次束轴线撞击样本1106，且二次粒子1108由检测器1110检测，例如具有孔1112的多通道板，一次束穿过所述孔1112。位于孔1112周围的磁体1114产生由磁场线1116表示的磁场，其再次分配二次粒子1108且将其在检测器1110的表面区域上散布，从而减少检测器1110处的最大电流密度。

磁体被选择以产生将对一次束具有最小影响同时散布二次粒子的磁场。磁场的优选强度部分根据二次粒子的能量和质量以及一次束中的粒子的能量和质量来确定。例如，当一次束是30 keV镓离子束且检测的二次粒子包括二次电子时，检测器1110通常被偏压至大约90 V。因为二次电子在其轨迹结束时具有小于100 eV，因而仅仅需要弱磁场。较低能量的二次粒子需要较小磁场来偏转粒子。例如，在二次粒子是被加速至小于200 eV的能量的电子的情况下，磁场通常小于100 高斯。磁场对一次镓离子束的影响将小于大概10⁴的因数，因为离子能量是电子能量的大约300倍且离子质量超过电子质量大约105倍。

优选磁场具有围绕一次束轴线圆对称性，从而减少磁场对一次束的影响。例如，在圆顶部和底部具有相对磁极的圆形磁体将产生圆对称磁场。虽然磁体显示为位于检测器孔内，但是本发明并不限于该位置中的磁体。例如，磁体可位于样本1006下方或检测器1110上方，磁场在样本1106和检测器1110之间延伸。磁体还可以位于样本1106和检测器1110之间或任何其它位置，只要其提供样本1106和检测器1110之间的场即可。带电粒子束系统1102优选将样本保持在高真空中，例如，处于10^-5 mbar或更低的压力，且并不通过气体放大来放大二次粒子信号。检测器1110优选不是金属电极检测器，但优选例如是多通道板和收集阳极；PIN二极管；或闪烁器－光电倍增管，具有位于闪烁器和光电倍增管之间的光耦合装置，配置成将由闪烁器发射的光传输到光电倍增管中。磁场偏转可用于上文所示的实施例中，取代静电场偏转。

本发明的一些实施例包括一种带电粒子系统，包括：

带电粒子柱，用于将一次带电粒子束聚焦到目标表面上，其中，带电粒子束与目标碰撞引起二次粒子从目标发射；

带电粒子检测器组件，包括：

检测器，用于产生电信号，所述电信号对应于碰撞检测器的带电粒子的数量；

位于带电粒子检测器和目标表面之间的至少一个栅极，用于使得带电粒子从目标移动到检测器；以及

偏转二次带电粒子以减少撞击在带电粒子检测器上的带电粒子最大电流密度的场源，从而延长带电粒子检测器的有用寿命。

在一些实施例中，所述至少一个栅极包括至少两个栅极；且偏转二次带电粒子以减少撞击在带电粒子检测器上的带电粒子最大电流密度的场源包括在所述至少两个栅极中的不同栅极上的不同电势。

在一些实施例中，所述至少一个栅极包括至少一个电阻栅极；且偏转二次带电粒子以减少撞击在带电粒子检测器上的带电粒子最大电流密度的场源包括在所述至少一个电阻栅极的不同部分上的不同电势。

在一些实施例中，偏转二次带电粒子以减少撞击在带电粒子检测器上的带电粒子最大电流密度的场源包括位于所述至少一个栅极和目标之间的偏转电极。

在一些实施例中，偏转二次带电粒子以减少撞击在带电粒子检测器上的带电粒子最大电流密度的场源包括偏转二次带电粒子远离带电粒子柱的轴线的场源。

在一些实施例中，所述带电粒子检测器包括：多通道板和收集阳极；PIN二极管；或闪烁器－光电倍增管，具有位于闪烁器和光电倍增管之间的光耦合装置，配置成将由闪烁器发射的光传输到光电倍增管中。

在一些实施例中，带电粒子束是电子束或聚焦离子束，且其中，所述至少一个栅极上的电压和带电粒子检测器上的电压配置成收集二次电子。

在一些实施例中，带电粒子束是聚焦离子束，且所述至少一个栅极上的电压和带电粒子检测器上的电压配置成收集二次离子。

在一些实施例中，带电粒子束是聚焦离子束，且偏转二次带电粒子以减少撞击在带电粒子检测器上的带电粒子最大电流密度的场源配置成收集二次离子。

在一些实施例中，偏转二次带电粒子以减少撞击在带电粒子检测器上的带电粒子最大电流密度的场源以保持二次粒子与柱的光轴的相对位置的方式偏转二次粒子。

本发明的另一个实施例包括一种减少带电粒子系统中的二次粒子检测器中的损害或污染速率的方法，包括：

提供带电粒子柱，以将带电粒子束聚焦到目标表面上，其中，带电粒子束与目标碰撞引起二次粒子从目标发射；

提供二次粒子检测器，以收集从目标发射的二次粒子的一部分；

提供偏转二次带电粒子以减少撞击在带电粒子检测器上的带电粒子最大电流密度的场，从而延长带电粒子检测器的有用寿命。

在一些实施例中，所述方法还包括：提供至少一个栅极以使得二次粒子从表面朝向二次粒子检测器加速。

在一些实施例中，提供二次粒子检测器包括在柱和目标之间提供二次粒子检测器。

在一些实施例中，提供至少一个栅极包括提供电阻栅极；且还包括电阻栅极的一部分上的第一电压和电阻栅极的第二部分上的第二电压，其中，第一电压和第二电压不相等。

在一些实施例中，提供至少一个栅极包括提供两个栅极；且提供偏转二次带电粒子以减少撞击在带电粒子检测器上的带电粒子最大电流密度的场包括在所述至少两个栅极中的不同栅极上提供不同电势。

在一些实施例中，提供至少一个栅极包括提供至少一个电阻栅极；且提供偏转二次带电粒子以减少撞击在带电粒子检测器上的带电粒子最大电流密度的场包括在所述至少一个电阻栅极的不同部分上提供不同电势。

在一些实施例中，提供偏转二次带电粒子以减少撞击在带电粒子检测器上的带电粒子最大电流密度的场包括提供位于所述至少一个栅极和目标之间的偏转电极。

在一些实施例中，提供偏转二次带电粒子以减少撞击在带电粒子检测器上的带电粒子最大电流密度的场包括提供偏转二次粒子远离带电粒子柱的轴线的场。

在一些实施例中，提供二次带电粒子检测器包括提供：多通道板和收集阳极；PIN二极管；或闪烁器－光电倍增管，具有位于闪烁器和光电倍增管之间的光耦合装置，配置成将由闪烁器发射的光传输到光电倍增管中。

在一些实施例中，提供带电粒子柱包括提供电子束或聚焦离子束，且其中，二次粒子收集器收集二次电子。

在一些实施例中，提供带电粒子柱包括提供聚焦离子束，且其中，二次粒子收集器收集二次离子。

在一些实施例中，提供偏转二次带电粒子的场包括提供磁场。

在一些实施例中，提供磁场包括提供位于二次粒子检测器的孔内的磁体。

本发明的另一方面包括一种带电粒子系统，包括：

带电粒子柱，用于将一次带电粒子束聚焦到目标表面上；

带电粒子检测器组件，包括：

在一些实施例中，所述场源包括提供电场的一个或多个栅极。

在一些实施例中，所述场源包括提供磁场的一个或多个磁体。

在一些实施例中，带电粒子束系统包括光轴，且磁场围绕光轴对称。

在一些实施例中，所述检测器包括孔，用于使得一次束通过，且磁体的至少一部分位于孔中。

虽然本发明及其优势已经被详细描述，但是应当理解的是，能够对本文所述实施例作出各种改变、替换和更改而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。栅极的电压源可来自于单个功率源且使用分压器，独立功率源可用于每个栅极，或者可使用电压驱动器和功率源的一些组合。虽然示例提供电场以改变二次粒子的轨迹，但是可使用磁场，尽管必须考虑磁场对一次束的影响。此外，本申请的范围不旨在局限于在说明书中描述的过程、机械、制造、物质成分、机构、方法和步骤的具体实施例。如本领域普通技术人员从本发明的公开内容能够容易理解的，可以根据本发明来利用现有的或以后研究出的执行与在本文所述的相应实施例大致相同的功能或实现大致相同结果的过程、机械、制造、物质成分、机构、方法或步骤。因此，所附权利要求书旨在将在其范围内包括这种过程、机械、制造、物质成分、机构、方法或步骤。

Claims

1.一种带电粒子系统，包括：

带电粒子检测器组件，包括：

检测器，用于产生电信号，所述电信号对应于碰撞检测器的带电粒子的数量；以及

位于带电粒子检测器和目标表面之间的多个同心环状收集栅极或至少一个电阻栅极，用于使得二次带电粒子从目标移动到检测器，操作中，所述多个环状收集栅极保持在不同电势，或者不同电势保持在所述至少一个电阻栅极的不同部分上，以提供径向场，所述径向场偏转二次带电粒子以便在检测器上更均匀地散布二次带电粒子，以减少撞击在带电粒子检测器上的二次带电粒子最大电流密度，从而延长带电粒子检测器的有用寿命。

2.根据权利要求1所述的带电粒子系统，其中：多个同心环状收集栅极或至少一个电阻栅极配置成偏转二次带电粒子远离带电粒子柱的轴线。

3.根据权利要求1所述的带电粒子系统，其中：所述带电粒子检测器包括：多通道板和收集阳极；PIN二极管；或闪烁器－光电倍增管，具有位于闪烁器和光电倍增管之间的光耦合装置，配置成将由闪烁器发射的光传输到光电倍增管中。

4.根据权利要求1所述的带电粒子系统，其中：带电粒子束是电子束或聚焦离子束，且其中，所述多个同心环状收集栅极或至少一个电阻栅极上的电压和带电粒子检测器上的电压配置成收集二次电子。

5.根据权利要求1所述的带电粒子系统，其中：带电粒子束是聚焦离子束，且所述多个同心环状收集栅极或至少一个电阻栅极上的电压和带电粒子检测器上的电压配置成收集二次离子。

6.根据权利要求1所述的带电粒子系统，其中：带电粒子束是聚焦离子束，且所述多个同心环状收集栅极或至少一个电阻栅极配置成利于收集二次离子。

7.根据权利要求1所述的带电粒子系统，其中：所述多个同心环状收集栅极或至少一个电阻栅极配置成以保持二次带电粒子与柱的光轴的相对位置的方式偏转二次带电粒子。

8.一种减少带电粒子系统中的二次粒子检测器中的损害或污染速率的方法，包括：

提供带电粒子柱，以将带电粒子束聚焦到目标表面上，其中，带电粒子束与目标碰撞引起二次带电粒子从目标发射；

提供二次带电粒子检测器，以收集从目标发射的二次带电粒子的一部分；

提供多个同心环状收集栅极或至少一个电阻栅极，所述多个同心环状收集栅极或至少一个电阻栅极位于带电粒子检测器和目标表面之间，用于使得二次带电粒子从目标移动到检测器，操作中，所述多个环状收集栅极保持在不同电势，或者不同电势保持在所述至少一个电阻栅极的不同部分上，以提供径向场以便偏转二次带电粒子以减少撞击在带电粒子检测器上的二次带电粒子最大电流密度，从而延长带电粒子检测器的有用寿命。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，提供多个同心环状收集栅极或至少一个电阻栅极包括提供电阻栅极；且

提供径向场包括提供电阻栅极的一部分上的第一电压和电阻栅极的第二部分上的第二电压，其中，第一电压和第二电压不相等。

10.根据权利要求8所述的方法，其中：

提供多个同心环状收集栅极或至少一个电阻栅极包括提供多个同心环状收集栅极；且

提供径向场以便偏转二次带电粒子以减少撞击在带电粒子检测器上的二次带电粒子最大电流密度包括在所述多个同心环状收集栅极中的不同栅极上提供不同电势。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，提供二次带电粒子检测器包括提供：多通道板和收集阳极；PIN二极管；或闪烁器－光电倍增管，具有位于闪烁器和光电倍增管之间的光耦合装置，配置成将由闪烁器发射的光传输到光电倍增管中。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，提供带电粒子柱包括提供电子束或聚焦离子束，且其中，二次粒子收集器收集二次电子。

13.根据权利要求8所述的方法，其中，提供带电粒子柱包括提供聚焦离子束，且其中，二次粒子收集器收集二次离子。