CN103261879A - 时间选通阴极发光图像的去卷积 - Google Patents

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Abstract

一种产生阴极发光图像的方法，其包括以下步骤：产生强度可调节的带电粒子束；在样品上聚焦所述带电粒子束；瞬时选通由所述样品发出的阴极发光，从而提供时间选通阴极发光；针对样品上不同带电粒子束位置测量时间选通阴极发光用以产生阴极发光图像，对阴极发光图像去卷积，以改进所述阴极发光图像的分辨率。本发明还提供了实施该方法的装置。

Description

时间选通阴极发光图像的去卷积
技术领域
本发明涉及产生阴极发光图的方法和装置，具体地，但不是唯一的，本发明涉及测量阴极发光图的无损方法和装置，所述阴极发光图具有提高的空间分辨率和/或提供深度分辨率，例如3D阴极发光图。
背景技术
阴极发光是激发光谱技术，其包含用电子束照射发光样品并测量感应发出的光。在入射电子束与样品的相互作用或生成体积内，入射电子经历一系列弹性和非弹性的散射活动，导致激发的电荷载子，即电子空穴对的产生。这些电子-空穴对扩散并最后再结合发出的光子；这些光子形成阴极发光信号。
使用光检测器检测由再结合的电子-空穴对发出的光子。通过在样品表面上扫描电子束并记录阴极发光信号强度作为样品上电子束位置的函数，可以形成空间分辨的阴极发光图。
因为所产生的电子-空穴对的数量，并且依次地，用于发出光子而产生的电子-空穴对的再结合数量依赖于发光样品的性能，因此阴极发光图将指示发光样品的性能。
阴极发光信号也可以通过光谱分辨。在光谱分辨的阴极发光实验中，光分散元件分散阴极发光信号并且信号通道或多重通道光检测器分别测量一个具体的光谱间隔或多个光谱间隔。通过在样品表面上扫描电子束并在一个或多个光谱间隔上记录阴极发光信号强度，作为样品上的电子束位置的函数，可以产生空间和光谱上可分辨的阴极发光图。光谱信息给出了关于样品发光性能的额外信息。
对于纯粹的光学激发光谱学方法，比如光致发光，阴极发光是有利的，因为其可以具有较高空间分辨率的特点；扫描电子显微镜的高度集中的电子束可用于激发非常小面积的样品，因此可以获得关于发光样品局部面积的光学性能的信息。
然而，即使使用纳米尺寸的探针，阴极发光图的总体空间分辨率受到入射电子探针生成体积（生成体积为由通过入射电子激发的发光样品的体积）和样品中电荷载子扩散的限制。
的确，根据被研究的材料，电子-空穴对的再结合可以产生远离激发点的微粒，因此严重危害了阴极发光图的分辨率。
尽管计算电荷载子的扩散非常复杂，但是可以精确计算和测量生成体积的外形。蒙特卡洛技术可以使用散射活动的概率分布和其推断的电子载荷密度来模拟样品中的电子轨道。因此发光理论可以将电荷载子的密度与发光光谱强度联系。图1示出了对于（a）1keV和（b）5keV电子束探针能量的块体氮化镓中的蒙特卡洛模拟。已知的是在样品中嵌入量子井，以便通过实验测量生成体积。
用以改进阴极发光图的空间分辨率的可能的解决方案为，用低入射电子束探针能量（例如几keV或低于几keV）来工作。这减小了入射电子的生成体积。然而，不利的是，在低的加速电压下，只能使用样品的浅表面下特征。
已经提出了限制电荷载子的扩散对空间分辨率的影响的方案。通过以频闪观测仪的模式操作显微镜，并瞬时选通CL信号检测，从而其只记录电荷载子扩散过程的开始，这意味着空间分辨率可以改进。其使用了电子束熄灭装置来脉冲调制电子束。不幸的是，该技术在开启和关闭时不能保证电子束的稳定性；对于具有短的瞬时宽度（<1ns）的脉冲空间分辨率开始降低。由于在半导体中的典型的载子移动率具有每微微秒为纳米的量级，其技术优势被限制在具有大扩散长度的材料上。
D．S．H．Chan等人公开了共焦反射镜光学可以用于收集阴极发光（Review of Scientific Instruments75（2004），p.3191（科学仪器评论75（2004），3191页））。使用这一解决方案，不再有电子束和样品性能来确定分辨率的限制，而是由照明光学技术决定。样品的三维可视化是可能的。然而，期望的横向分辨率具有几百纳米的量级并且深度分辨率最好具有一个微米的量级。因此，分辨率不提供满意的横向和深度分辨率。
专利US2010059672公开了如何产生3D阴极发光数据组。US2010059672公开了使用电子探针来激发样本品表面以及使用不同的测量通道（例如EBSD、阴极发光、二次电子等）以便描绘其特征。离子束移除了（通过磨损）样品的被测量层。这些操作如所需被重复很多次并且通过逐层可以重新构建3D阴极发光。不利的是，使用该方法，测量的体积被破坏；用于磨损的离子可以穿透样品并改变其光学性能；生成体积的尺寸和电荷载子的扩散限制空间分辨率。
US2004046120公开了标记（纳米粒子）被注入到单元中，从而其跟随单元的不同特点。然后标记用阴极发光显微镜来观察。明亮的点指示标记存在。明亮点的模糊外观表示标记靠近膜。该文件教导使用去卷积来推导标记与膜的距离。
不利的是，US2004046120的发明不产生光谱信息。阴极发光的方法用于只显示标记的位置，而不给出关于被研究的样品的光谱性能的任何信息。因此US2004046120公开了产生其对比度依赖于样品的结构的3D图像，但是没有公开怎样产生其对比度依赖于样品的特定性能的3D图像。而且，US2004046120公开了测量纳米粒子的阴极发光，即显示在阴极发光光谱上的纳米粒子的阴极发光，但是没有公开测量样品的阴极发光。
在“Micro/Nano Lithography（微米/纳米平板印刷术）”中PezzottiG.等人考虑了在扫描电子显微镜下电子装置的纳米机械性能。该文件公开了通过应用已知的数学转变来从阴极发光光谱中提取应力信息。卷积提取的应力数据被去卷积并且产生应力信息，其避免了生成体积的模糊效应。文件被限制在公开了怎样对显示机械信息的应力图去卷积，从而改进其空间分辨率。文件没有公开怎样对光谱分辨的阴极发光图（即与不同激发位置相关的一组阴极发光数据）去卷积，以提高其空间分辨率。而且，文件没有公开怎样在空间上对光谱去卷积。另外，公开的方法被限制在具有非常短扩散长度的样品的应用上，因为其没有公开怎样减小电子-空穴扩散的假象。
本发明的目的是消除或减弱一个或多个上述缺点。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供用于产生阴极发光图的方法，其包括的步骤为：
产生强度可调节的带电粒子束；
在样品上聚焦所述带电粒子束；
临时选通由所述样品发出的阴极发光，从而提供时间选通阴极发光；
测量针对在样品上不同带电粒子束位置的时间选通阴极发光从而产生阴极发光图；
对阴极发光图去卷积，以改进所述阴极发光图的分辨率。
优选地，使用由样品发出的阴极发光来产生阴极发光图。测量时间选通阴极发光的步骤包括测量由样品发出的时间选通阴极发光。
阴极发光图可包括多个阴极发光测量值。包含多个阴极发光测量值的阴极发光图可被用于对单个阴极发光测量值去卷积。
因为本发明的方法测量时间选通阴极发光，所述时间选通阴极发光或许不会针对样品上的不同带点粒子束的位置被光谱分辨，并使用测量的时间选通阴极发光以产生时间选通阴极发光图，不论所述时间选通阴极发光是否被光谱分辨，所述方法可用于改进所述时间选通阴极发光图的分辨率。
带电粒子束（比如电子束）的使用限制了样品表面的磨损。优选地，带电粒子束被配置为使得粒子束内的带电粒子具有动量，该动量太小而不能显著磨损样品的表面。
对于该发明的范围，阴极发光被概括为激发光谱学，其包括用带电粒子束照射发光样品并测量感应发出的光。带电粒子束可以是电子束。可以理解的是，本发明的方法不局限于使用电子束；可以替代地使用任何其它合适的带电粒子束。
对阴极发光图去卷积以改进所述阴极发光图的分辨率的步骤可包括，对阴极发光图去卷积以改进对所述阴极发光图的空间分辨率。对阴极发光图去卷积以改进所述阴极发光图的分辨率的步骤可包括，对阴极发光图去卷积以改进对所述阴极发光图的横向空间分辨率。对阴极发光图去卷积以改进所述阴极发光图的分辨率的步骤可包括，对阴极发光图去卷积以改进对所述阴极发光图的深度分辨率。
被调整的带电粒子束可以是被调整的电子束或被调整的离子束。
所述方法可以还包括调整带电粒子束和选择时间选通的步骤，使得在样品中沿着具体方向上的电子-空穴扩散在时间选通间隔期间，具有与沿着所述方向的所述阴极发光图的改进的空间分辨率相同的数量级，或小于该改进的空间分辨率。
优选地，用于瞬时选通由所述样品发出的阴极发光的时间选通具有小于1ns的宽度。
时间选通阴极发光可以被直接测量，使得在时间选通瞬时边界外的阴极发光信号不被记录。
首先可以测量时间解析的阴极发光，然后可以在时间选通上对时间解析的阴极发光积分，以产生时间选通阴极发光。因此记录时间解析的阴极发光。
所述方法可包括对时间选通应用补偿的步骤，所述时间选通用于瞬时选通由所述样品发出的阴极发光。优选地，时间选通的补偿可以修改。因此，时间选通可以被调整，使得其测量时间解析的阴极发光信号的初始。
所述方法还可包括将样品的所有或部分体积离散成单元体积区域的步骤。这些单元体积也可以被称作网格体积或网格元素。
所述方法还可包括确定样品中每个单元体积对被测量的阴极发光产生的影响的步骤。因此，用于形成阴极发光图的被测量的阴极发光可以在样品中不同单元体积之间分配，并且被测量的阴极发光等于所有单元体积影响的总和。
优选地，所述方法包括选择单元体积的步骤，所述单元体积的体积、横向伸展或高度中的任何一个小于生成体积。生成体积是由入射带电粒子束激发的样品体积。去卷积步骤因此可以有效地增加阴极发光图的横向分辨率和/或提供对所述阴极发光图的深度分辨率。
所述方法还可包括确定生成体积的步骤，其中所述生成体积是样品体积，当调整的带电粒子束聚焦于样品表面上的一点时该样品由调整的带电粒子束激发。因此，当带电粒子束聚焦于样品上任意一点时，是样品的生成体积对被测量的时间选通阴极发光产生影响。
所述方法还可包括，确定当不同单元体积与生成体积重叠时其对被测量的阴极发光产生影响的步骤。
所述方法还可包括限定一组参数的步骤，所述参数描述单元体积的激发状态。当测量时间选通阴极发光时，该激发状态可以类似于由调整的电子束产生的激发状态。当测量时间选通阴极发光时，激发状态可以不同于由调整的电子束产生的激发状态。例如，一组参数可以说明电子-空穴对的密度是均匀的并在所有单元体积上被热化（即对给定温度下的电子-空穴对的能量分布由费米-狄拉克统计规定）。去卷积步骤可以包括对于给定的一组描述每个单元体积的特征的参数，确定由每个单元体积发出的阴极发光。对于给定的一组参数由单元体积发出的阴极发光可以被称作基本阴极发光（或处理的或去卷积的阴极发光）。
所述方法还可包括，当单元体积与生成体积重叠时，确定由单元体积发出的基本阴极发光和同一单元体积对被测量的阴极发光产生的影响之间关系的步骤。对于预先确定的一组参数，由单元体积发出的基本阴极发光为由单元体积发出的阴极发光。因此，被测量的阴极发光等于根据基本阴极发光的所有单元体积的影响的总和。
优选地，强度调整的电子束电流充分小，使得由单元体积发出的阴极发光的影响与单元体积之内的电子-空穴对的密度成比例。因此很多主体的相互作用（即电子、空穴或任何其它准粒子之间的相互作用）不显著地改变电子-空穴对气体的发光性能并依次是阴极发光发射。
对于任何具体地样品类型并使用熟知的方法，有可能在样品内确定生成体积以及由不同单元体积对被测量阴极发光产生的影响，该单元体积与所述生成体积重叠。例如，如果样品为已知类型，根据该样品的已知性能，当被具有给定能量的带电粒子束激发时，有可能确定生成体积以及样品内的不同单元体积对该样品产生的阴极发光的影响。可选地，通过在试验样品上实施已知的试验，该试验样品类似于所述样品，则当被具有给定能量的带电粒子束激发时，有可能确定生成体积和生成体积内的不同区域对由该样品产生的阴极发光的影响。
已知每个单元体积的基本阴极发光是怎样与被测量的阴极发光相关的，即已知被测量的阴极发光等于所有单元体积的影响的总和，并已知每个单元体积的影响是怎样根据基本阴极发光而被记录的（并已知对于阴极发光图上的每个点，其对应于样品表面上的每个位置，在该处聚焦强度调节的带电粒子束），有可能对时间选通阴极发光图去卷积。这是通过求解多个方程组而实现的，其中每个方程表示被测量的阴极发光等于所有单元体积影响的总和。获得了每个单元体积的基本阴极发光的值。
当其对于来自所有单元体积的基本阴极发光实施时，可以建立去卷积的阴极发光图。该图示出了对于所述的给定一组参数由每个单元体积发出的阴极发光。如果单元体积小于与其重叠的生成体积，则去卷积步骤因此可以有效地提高阴极发光图的横向分辨率并提供对于阴极发光图的深度。
优选地，单元体积的区域包括在时间选通阴极发光绘图期间产生的每个生成体积。因此，在去卷积中考虑到所有阴极发光的影响并改进了所述去卷积的准确性。
将所有或部分样品的体积离散成单元体积区域的步骤可以包括将所有或部分样品的体积离散成单层的单元体积。因此，去卷积步骤产生了2D的去卷积的阴极发光图，其示出了针对所述一组参数在层内由每个单元体积发出的阴极发光。当单元体积在横向上小于生成体积时，所述2D去卷积的阴极发光图具有改进的横向空间分辨率的特点，因为去卷积消除了在生成体积内由单元体积对被测量的阴极发光产生的影响，单元体积横向于位于样品表面上的所述位置，在该位置聚焦强度调整的带电粒子束。
单元体积可包括位于样品表面之下的一个或多个单元体积。去卷积步骤然后产生了示出由每个单元体积发出的阴极发光的图，一个或多个单元体积被埋在表面之下。因此，去卷积的阴极发光图示出了深度的阴极发光信息并形成了3D阴极发光图。
也有可能选择位于样品的表面之下的不同深度的单元体积，使得可以获得表示样品的不同深度的3D阴极发光图。
优选地，所述方法包括将样品体积的所有或部分离散成单元体积的两个或多个层。因此对被测量的时间选通阴极发光去卷积的步骤提供了3D阴极发光图，包括两个或多个2D阴极发光图，每一个图表示从处于样品不同深度的平面中发出的阴极发光。有可能在一个或多个所述层内提供单元体积，该所述层具有比生成体积的横向扩展更小的横向延展，所述生成体积与单元体积的每一个重叠，使得去卷积步骤也改进了横向分辨率。
例如，有可能将部分或所有的样品体积离散成位于样品的表面和1nm深度之间的样品内的区域；位于1nm-2nm深度之间的样品内的区域；位于2nm-3nm深度之间的样品内的区域等。在做该步骤时，可以确定从位于样品内不同深度的平面的单元体积发出的阴极发光。因此，被测量的阴极发光可以均衡以形成多个2D阴极发光图，每一个图通过在位于样品不同深度的平面处发出的阴极发光而形成；因此，每一个图表示位于样品的不同深度的平面。例如可以提供2D阴极发光图，其通过只使用由位于表面和1nm之间的样品内的平面发出的阴极发光而形成；可以提供2D阴极发光图，其通过只使用由位于1nm和2nm之间的样品内的平面发出的阴极发光而形成；可以提供2D阴极发光图，其通过只使用由位于2nm和3nm之间的样品内的平面发出的阴极发光而形成等。
在上述方法中所用的调整的带电粒子束优选地包括小于磨损或破坏样品所需的能量的能量。所述方法可包括配置被调整的带电粒子束的步骤，使得其包括小于磨损或破坏样品所需的能量的能量。因此，所述方法是非破坏性方法，其确保当被调整的带电粒子束冲击样品时，不会破坏或磨损样品。
去卷积可以包括求解线性或非线性方程组的步骤。
优选地，去卷积可包括用最小平方的方法求解线性或非线性方程组的步骤。
优选地，被测量的时间选通阴极发光图上激发点的数量大于或等于单元体积的数量。激发点越多，去卷积步骤的准确性越好，因为其减小了测量噪音的影响。
在被调整的电荷载子束为被调整的电子束的情况下，强度调整的电子束可以从由光束照亮的光电阴极中产生。
被调整的带电粒子束的电子束点可以小于1μm。电子束点可以具有小于1μm的直径。
所述方法可包括改变所述带电粒子束的能量的步骤。这可以如此从而使带电粒子束内的电子穿透至样品内的不同深度。例如可以获得对于不同带电粒子束能量（或速度）的时间选通阴极发光图。具有较高能量的带电粒子束将更深地穿透到样品中。由于电子穿透的更深，其将在更大的深度激发样品，导致阴极发光从样品内的更深处发出。所以测量的阴极发光信号将包括从样品内的更深区域发出的阴极发光。因此，测量的时间选通阴极发光信号可以被去卷积，以提供来自单元体积的阴极发光图，所述单元体积被更深地埋在样品内。作为结果，3D阴极发光图可以表示位于样品内更深处的样品的特点。
所述方法还包括测量时间选通阴极发光图的步骤，使得图的每个点表示对于一个或多个带电粒子束能量所测量的时间选通阴极发光。因此，可以显著增加深度依赖数据的数量。因此能够使用在表面以下的较小单元体积，并依次改进去卷积的阴极发光图的深度分辨率。
可以光谱分辨被测量的时间选通阴极发光。因此可以生产一个或多个时间选通阴极发光图，以表示在一个或多个光谱间隔内测量的时间选通阴极发光强度。
上述方法或步骤中的每一个可以应用于在一个光谱间隔内测量的时间选通阴极发光图。
可以结合所获得的对于不同光谱间隔的去卷积阴极发光图，以形成去卷积的超光谱阴极发光图，即表示对于给定的一组参数由每个单元体积发出的阴极发光光谱的图。
超光谱图可以显示在特定光谱间隔内发光的样品的区域（即一个或多个单元体积的集合）。在特定光谱间隔内发光的一个或多个单元体积的集合被称作光谱区域。例如，第一光谱区域可能发出绿色荧光，并且另一个发出红色荧光。在不同光谱间隔内发光的两个光谱区域可能重叠。对于不均匀的样品，例如纳米结构的样品，很多光谱间隔可以共存。
根据上面在此所描述的方法一旦生产了超光谱图，有可能延迟时间选通，使得延迟的时间选通阴极发光信号可以被测量，该时间选通阴极发光信号包括在超光谱图中使用的阴极发光之后发出的阴极发光。延迟的时间选通阴极发光的测量包括来自以下的影响：与生成体积重叠的单元体积；以及在延迟时间内电荷载子已扩散至其上的生成体积外部的单元体积。
如果延迟的时间选通阴极发光测量示出了不存在于由生成体积发出的阴极发光内的光谱特点（即在与生成体积重叠的光谱区域内），则其意味着电子-空穴对扩散至一个或多个光谱区域，该光谱区域具有由生成体积发出的阴极发光漏掉的光谱特征。例如，延迟的时间选通阴极发光可能包括绿色和蓝色的光，而只有绿色的光从生成体积中发出；电荷载子从生成体积迁移至发出蓝光的光谱区域。
因此，延迟的时间选通阴极发光表示在两个时间选通之间的延迟期间电荷载子扩散至什么地方。通过改变延迟，有可能重建电荷载子从一个光谱区域至另一个所遵循的路径并推断其扩散速度和移动性。
如果去卷积步骤被跳过，则所述方法将仍然是有效的，但是空间分辨率将会被生成体积的尺寸所限制。
所述方法还可以包括的步骤为：在延迟周期后，测量一个或多个其它时间选通阴极发光；并将所述一个或多个其它测量的时间选通阴极发光与所述阴极发光图比较，以确定所述带电粒子是否已在样品中移动。所述方法可包括将所述一个或多个其它测量的时间选通阴极发光与所述阴极发光图比较，以确定所述带电粒子在样品内扩散的步骤。在延迟周期后测量的一个或多个时间选通阴极发光可以用于形成第二阴极发光图。一个或多个其它时间选通阴极发光可以具有瞬时延迟。
根据本发明的另一方面，提供阴极发光图生成装置，其包括：产生强度可调节的带电粒子束的电子束发生器；将所述带电粒子束聚集在样品上的聚焦元件；瞬时选通由所述样品发出的阴极发光的装置；针对所述样品上不同粒子束位置测量时间选通阴极发光并使用测量的时间选通阴极发光产生时间选通阴极发光图的装置；和对所述阴极发光图去卷积以改进所述阴极发光图的分辨率的装置。
带电粒子束可以是电子束或离子束。
用于对阴极发光图去卷积，以改进所述阴极发光图的分辨率的装置，可包括对所述时间选通阴极发光图去卷积，以改进所述阴极发光图的空间分辨率的装置。用于对阴极发光图去卷积，以改进所述阴极发光图的分辨率的装置，可包括对所述时间选通阴极发光图去卷积，以改进所述阴极发光图的横向空间分辨率的装置。用于对阴极发光图去卷积，以改进所述阴极发光图的分辨率的装置，可包括对所述时间选通阴极发光图去卷积，以改进所述阴极发光图的深度分辨率的装置。用于瞬时选通阴极发光的装置可包括用于选择时间选通的装置，使得在时间选通间隔期间沿着样品内的具体方向的电子-空穴扩散，与所述阴极发光图沿着所述方向的改进的空间分辨率具有相同的数量级或小于该改进的空间分辨率。
用于瞬时选通阴极发光的装置可包括小于约1ns的栅宽。用于瞬时选通阴极发光的装置可包括小于1ns的栅宽。
用于瞬时选通阴极发光的装置可包括直接测量时间选通阴极发光的装置，不记录在时间选通瞬时边界外的阴极发光信号。
用于瞬时选通阴极发光的装置可包括首先测量时间解析的阴极发光然后对测量的时间解析的阴极发光在时间选通上进行积分，以产生时间选通阴极发光的装置。因此，时间解析的阴极发光也可以被记录。
用于瞬时选通阴极发光的装置可包括将补偿应用至时间选通的装置。优选地，可以修改时间选通的补偿。因此可以调整时间选通从而测量时间解析的时间选通阴极发光信号的初始。
阴极发光图生成装置还可包括对阴极发光去卷积以便对所述阴极发光图提供改进的横向分辨率和/或深度分辨率的装置。优选地，阴极发光图生成装置还包括，对测量的时间选通阴极发光去卷积以提供去卷积的阴极发光图的装置，所述去卷积的阴极发光图表示从位于样品的不同横向位置或深度处的单元体积平面发出的阴极发光。
优选地，阴极发光图生成装置还可包括对测量的时间选通阴极发光去卷积以提供两个或更多2D阴极发光图的装置，所述2D阴极发光图中的每一个表示从处于样品的不同深度处的平面发出的阴极发光。
在任一个上述阴极发光图生成装置中的电子束发生器可包括光电阴极。
用于产生强度可调整的带电粒子束的电子束发生器可被配置为提供具有小于1μm直径的带电粒子束点。
阴极发光图生成装置还可包括用于改变带电粒子束的能量的装置。带电粒子束的能量可以通过改变施加在所述带电粒子束上的不同加速电压而被改变。这可以如此从而使带电粒子束中的电子穿透至样品中的不同深度。
阴极发光图生成装置还可包括对于所述带电粒子束的不同加速电压用于测量时间选通阴极发光的装置。
阴极发光图生成装置还可包括光谱分辨所述时间选通阴极发光的装置。
阴极发光图生成装置还可包括：用于改变所述带电粒子束的加速电压的装置，瞬时选通由所述样品发出的阴极发光和用于测量时间选通阴极发光的装置；对于所述带电粒子束的不同加速电压用于测量时间选通阴极发光的装置；用于去卷积时间选通阴极发光图并表现三维阴极发光图的装置。
一种装置，其包括具有小于约1ns的循环周期的激光器；光电阴极；电子光学透镜、电子偏转器；将由所述激光器产生的激光束聚焦在所述光电阴极上的透镜和选通光检测器，所述光电阴极被配置为用于产生响应于所述激光束的脉冲并用于通过所述电子光学透镜将电子脉冲传输至样品，并且所述偏转器用于聚焦和安置所述电子并激发所述样品从而产生阴极发光，所述选通光检测器具有小于约1ns，用于选通处于不同激发点的所述阴极发光的栅，从而产生时间选通阴极发光图。
所述装置还可包括用于去卷积所述时间选通阴极发光图的装置，以改进时间选通阴极发光图的分辨率。
所述装置还可包括用于去卷积所述时间选通阴极发光图的装置，从而产生空间分辨率提高的阴极发光2D或3D图。
所述装置还可包括光谱分辨所述阴极发光的装置。
所述装置还可包括用于改变调整的带电粒子束电流的装置。这可以如此从而容许控制在样品内产生的电子-空穴对的密度。
所述装置还可包括补偿所述装置的时间选通的装置，以测量时间选通阴极发光。
所述装置还可包括在延迟周期后测量一个或多个其它时间选通阴极发光的装置；和用于将一个或多个其它测量的时间选通阴极发光与阴极发光图比较的装置，从而确定带电粒子是否已在样品内移动。
附图说明
现在将只通过实例的方式对本发明的实施例进行描述。将参考以下：
图1例示了在本发明的方法中实施的去卷积步骤；
图2示出了当1keV的带电粒子束聚焦在样品表面上时氮化镓块体的蒙特卡洛模拟的结果。
具体实施方式
根据本发明，提供了用于生产高分辨率的阴极发光图（例如3D阴极发光图），具体地用于生产具有改进的空间分辨率和/或提供深度分辨率的阴极发光图的方法和装置。
扫描电子显微镜具有由光学激光器驱动的基于光电阴极的电子枪。激光密度以这样的方式调整，使得产生了一长列超快光电子脉冲，从而形成光电子束。光电子束聚焦在样品上。使用电子光学偏转器或通过转移样品，可以改变光电子束聚焦在样品上的位置。
一旦冲击，光电子束内的电子激发样品，引起样品体积发出阴极发光信号。通过电子束与样品的相互作用而产生的阴极发光信号用光学测量装置，例如抛物柱面镜来测量，并且通过测量装置，比如快速光电二极管、超快扫描相机或任何种类的具有快速反应时间的仪器来瞬时分辨。光学测量装置与长列的电子脉冲同步，使得每次电子脉冲撞击样品，则时间解析测量开始，而当下一个电子脉冲撞击样品时结束。通过对很多电子脉冲激发重复时间解析的测量，可以改进针对噪声比的测量动力和信号。在样品上扫描电子束并测量发出的作为时间函数的阴极发光信号，产生了时间解析的阴极发光图。
一旦冲击，光电子束内的电子在样品中扩散，因此引起不期望的样品区域来发出阴极发光信号并对测量的阴极发光信号产生影响。由这些不期望的样品区域发出的阴极发光信号导致模糊时间积分阴极发光图。
通过在时间选通上对时间解析的阴极发光图瞬时积分，获得了基本上没有模糊的阴极发光图（即其中已考虑到扩散效应的阴极发光图），所述时间选通由脉冲撞击样品的时刻和给定的切断时间界定。选择切断时间小于载子的寿命期，从而相对于标准的阴极发光图改进了选通阴极发光图的空间分辨率。通过将切断时间选择为小于载子的寿命期，从时间解析的阴极发光图降低由扩散导致的阴极发光图内的阴极发光。
在选通阴极发光图上获得的显著降低的扩散假象对于具有纳米分辨率的样品的2D或3D光谱学开启了完全新的途径。选通阴极发光图的分辨率主要由生成体积的尺寸限制。生成体积的准确形状可以计算，并且有可能将选通阴极发光图去卷积。可以用探针尺寸有限的分辨率生产2D或3D阴极发光图。
根据本发明的另一个方面，将选通阴极发光图去卷积，以提供具有改进的横向空间分辨率的2D阴极发光图和/或提供有深度分辨率的阴极发光图（例如3D阴极发光图）。
首先，产生样品体积网格，其含有“N”个单元体积。对于给定的激发水平，即对于给定的一组单元体积内的电子-空穴对气体的性能（或参数），计算由每个单元体积发出的阴极发光。例如，对于在获得选通2D阴极发光图期间产生的平均电子-空穴对密度和给定温度来计算由每个单元体积发出的阴极发光。如已提到，对于给定的激发水平由单元体积发出的阴极发光被称作基本阴极发光。
其次，调整的电子束聚焦在样品的表面。生成体积在产生电子-空穴对的表面之下形成。生成体积可以与一个或多个单元体积重叠，即电子-空穴对可以在一个或多个单元体积中产生，并且依次，当电子-空穴对再结合时，一个或多个单元体积可以对阴极发光产生影响。因此被测量的阴极发光为一个或多个单元体积影响的总和。
通过聚焦调整的电子束至样品表面上的不同点，生成体积的位置和最终的形状改变，使得在每个单元体积中产生的电子-空穴对的数量改变，并且每个单元体积对总体阴极发光的影响改变。
图2例示了在本发明的方法中实施的去卷积的步骤。图2示出了被离散成单元体积（V1-Vn）的样品5。当激发束，比如调整的带电粒子束聚焦在多个激发点x1-xm中的每一个上时，单元体积(V1-Vn)中的每一个发出阴极发光(I1j-Inj)。由样品发出的阴极发光
Figure BDA00002942230200162
等于由每个单元体积(V1-Vn)发出的阴极发光的总和，即为了使后续的去卷积可能进行，对于给定的激发点xj，样品中的单元体积（V1-Vn）对阴极发光（Ij）的影响可以被表示为该元素的基本阴极发光辐射的函数，即可以由具有给定任意一组性能（例如，可以在单元体积内针对给定的任意电子-空穴对密度发出阴极发光）的电子-空穴对气体所发出的阴极发光。基本阴极发光和实际网格阴极发光之间的最简单的关系为一种线性表达式，其中网格阴极发光等于乘以权重的基本阴极发光，例如对于单元体积V1，网格阴极发光(I1j)等于给定的I1j=w1jI1，其中“w”为给予基本阴极发光的权重。权重可以依赖于波长。另外，也可以选择更复杂的关系。
权重（w）由单元体积内产生的电子-空穴对的性能，即单元体积内的电子-空穴气体的密度、其分布、其温度或任何其它物理参数决定。在最简单的情况下，权重与单元体积内的电子-空穴对的密度成比例。
权重（w）可以用熟知的方法确定。例如，如果样品为已知的类型，则有可能根据样品的性能确定生成体积和生成体积内不同区域对由该样品发出的阴极发光信号所产生的影响。例如，可以使用已知的蒙特卡洛模拟方法来计算电子-空穴对的密度，并且可以使用已知的发光模型来确定作为电子-空穴对密度的函数的阴极发光强度。可替代地，通过对类似于样品的试验样品进行熟知的试验，有可能确定生成体积和由生成体积内不同区域对由该样品发出的阴极发光信号所产生的影响。
对于表面上“m”个点中的每一个点，瞬时选通所发出的阴极发光信号，以提供时间选通阴极发光。对于样品上不同电子束位置，即表面上的“m”个点中的每一个点，测量时间选通阴极发光，以产生时间选通阴极发光图。
最后，时间选通阴极发光图可以被去卷积。对于表面上的“m”个点中的每一个点，计算每个单元体积的权重。“m”个选通阴极发光测量给出一组“m”个方程，其将基本阴极发光与测量的阴极发光相联系，所述方程可以通过最小平方法求解，以提取“n”个单元体积。
现在改进了在去卷积的阴极发光图中每个点的横向空间分辨率（阴极发光图上的每个点对应于样品表面上的一点，在该点上聚焦电子束并且测量阴极发光信号），因为去除了由生成体积内的区域对测量的阴极发光信号产生的影响，所述生成体积横向于样品表面上所述点，调整强度的电子束被聚焦在该点上。这对于时间选通阴极发光图上的每个点被实施，所述每个点对应于样品上不同的电子束位置中的每一个，从而提供具有改进的横向空间分辨率的完整的去卷积的阴极发光图。
当样品中的连续生成体积重叠时，获得了最佳的结果，所述连续生成体积产生于聚焦在样品表面上的连续点上的强度可调整的电子束。
为了减小坏的权重计算的风险，有可能在不同的调整电子束电流下，即在不同的电子-空穴对密度下测量时间选通阴极发光图。通常，在低激发水平下获得的测量对于饱和效应和电子-空穴对之间的很多主体的相互作用不太敏感；权重的计算更加简单。如果通过减小束电流，结果是类似的，则权重已被正确地计算。
图1示出了当1keV电子束被聚焦在样品表面上时，氮化镓块体的蒙特卡洛模拟的结果。数字示出了生成体积3，其被分割成不同的区域3a-f，区域中的每一个含有如由电子束产生的电子-空穴对的各种浓度。区域3a-f中每一个区域内的电子-空穴对的浓度也可以由区域3a-f中每一个区域内示出的数量来表示；例如，由电子束产生的电子-空穴对的90%在区域3a中产生。
也有可能产生包括与表面接触或不接触的单元体积的样品体积的网格（未埋入，即在样品表面上的单元体积，和埋入的单元体积，即在样品表面以下的单元体积）。在该情况下，有可能对测量的时间选通阴极发光图去卷积，因此也可针对埋入的单元体积计算基本阴极发光并提供深度信息。埋入的元素的数量越细小，深度分辨率越精细。
优选地，这通过产生网格而实施，该网格包含单元体积的两个或多个层，从而对测量的时间选通阴极发光去卷积提供了两个或多个参考阴极发光图，每一个参考阴极发光图代表从样品内处于样品内不同深度处的平面发出的阴极发光。两个或多个2D阴极发光图中的每一个提供了3D的阴极发光图。
3D的阴极发光图的深度分辨率可以通过改变在调整的电子束内的电子能量而被进一步改进，所述调整的电子束被聚焦在样品表面。这可以通过例如改变施加在电子束中的电子上的加速电压，或通过改变电子束的速度而实施。这将容许电子束中的电子穿透至样品中的不同深度。因此获得了深层的数据并且可以用更多和更薄的单元体积层实施去卷积步骤。同样在更高的调整电子束能量下，样品的更深区域将对测量的阴极发光信号产生影响，使得3D阴极发光图可提供关于样品内更深区域的光谱信息。
首先，产生了样品体积网格，其包括“n”个单元体积，n”个单元体积中的一个或多个被埋入。针对给定的激发水平，即针对给定的一组单元体积内电子-空穴对气体的性能，计算由每个单元体积发出的阴极发光。例如，针对在获得选通2D阴极发光图时产生的平均电子-空穴对的密度来计算由每个单元体积发出的阴极发光。
其次，具有特定束能量的调整电子束被聚焦在样品表面上。生成体积在其中产生电子-空穴对的表面之下形成。生成体积可与一个或多个单元体积重叠，即电子-空穴对可以在一个或多个单元体积中产生，并且依次，当电子-空穴对再结合时一个或多个单元体积可以对阴极发光产生影响。因此测量的阴极发光为一个或多个单元体积的影响的总和，这些元素中的多于一个元素被埋入。
通过改变调整的电子束的焦点至样品表面上不同的点，和/或通过改变调整的电子束的能量，生成体积的位置和最终形式以及总体积改变，使得在每个单元体积中产生的电子-空穴对数量变化，并且每个单元体积对总体阴极发光产生的影响改变。
为了使后续的去卷积可能进行，对于给定的激发点，单元体积对阴极发光产生的影响被表达为该单元的基本阴极发光辐射的函数，即会由具有给定的任意一组性能的电子-空穴对气体发出的阴极发光（即在单元体积内会以给定的任意电子-空穴对密度发出的阴极发光）。基本阴极发光和实际网格阴极发光之间的最简单的关系为一种线性表达式，其中网格阴极发光等于乘以权重的基本阴极发光。权重可以依赖于波长。
权重由单元体积内产生的电子-空穴对的性能，即单元体积内的电子-空穴气体的密度、其分布、其温度或任何其它物理参数确定。在最简单的情况下，权重与网格单元内的电子-空穴对的密度成比例。
权重可以用熟知的方法确定。例如，如果样品为已知的类型，则能够根据样品的性能确定生成体积和由生成体积内的不同区域对由该样品发出的阴极发光信号所产生的影响。例如，可以使用已知的蒙特卡洛模拟方法来计算电子-空穴对的密度，并且可以使用已知的发光模型来确定作为电子-空穴对的密度的函数的阴极发光强度。可替代地，通过对类似于样品的试验样品进行熟知的试验，能够确定生成体积和由生成体积内的不同区域对由该样品发出的阴极发光信号所产生的影响。
对于一组的“m”个测量中的每一个，其中已经改变在表面上的激发点或束能量，所发出的阴极发光信号被瞬时选通，以提供时间选通阴极发光。对于样品上不同电子束位置和束能量，测量时间选通阴极发光，以产生一组选通阴极发光的测量。
最后，一组选通阴极发光的测量可以被去卷积。对于“m”个测量中的每一个，计算每个单元体积的权重。“m”个选通阴极发光测量给出一组“m”个方程，其将基本阴极发光与测量的阴极发光相联系，所述方程可以通过最小平方法求解，从而在“n”个单元体积中的每一个单元体积内提取来自每个区域的阴极发光信号。
在所述阴极发光图中每个点的横向空间分辨率（阴极发光图上的每个点对应于样品表面上的一点，在该点上聚焦电子束和测量阴极发光信号）现在得到了改进，因为去除了由生成体积内的区域对测量的阴极发光信号产生的影响，所述生成体积横向于样品表面上所述点，强度调整的电子束被聚焦在该点上。而且，已经取得了深度分辨率，因为可以提取来自不同深度的单元体积的影响。
在典型实施例中，使用超快激光，其以80MHz的重复率产生100fs的激光脉冲。激光束被聚焦在光电阴极上，然后其产生亚微微秒的光电子脉冲束，其被聚焦在块体GaAs的半导体样品上。GaAs中的扩散长度约为2-4μm，具有在4K下大约4nm/ps的迁移率。通过选择1ps的切断时间，扩散约为4nm，即小于不使用选通的情况的三个数量级。选择由100×100×100的10nm宽度的立方单元制成的网格。通过激发表面上的每个网格单元中心来实施100x100选通阴极发光测量。用一组100加速电压重复测量。对于每个激发点和加速电压，根据已知的理论模型，计算每个立方单元（单元体积）中的电子密度并且计算权重，该权重将由每个立方单元发出的阴极发光与其基本阴极发光相联系。使用最小平方法求解的一组100×100×100方程被记录。在将所有方程去卷积后获得了具有10nm的分辨率的3D阴极发光图。
激光脉冲的持续优选地在介于10fs和3ns，优选地介于50fs和100fs的范围内。重复率优选地在1KHz和1GHz之间。网格不必是立方体，但是优选地包括在2×2×2和1000×1000×1000单元之间的任何数量单元。单元尺寸优选地包括在0.1nm和1μm之间，优选地在1nm和100nm之间。加速电压的数量优选地在1和1000之间。
在一个实施例中，样品中的扩散长度是可忽略的。在该情况下，越过了时间选通步骤。只实施了去卷积。除了越过时间选通步骤之外，也可以使用任意长的时间选通。
在一个实施例中，添加补偿至时间选通，从而测量不同部分的时间解析的阴极发光。选通自身可以为正方形，但是也可以是高斯函数、洛伦兹函数或具有任意形状。
在一个实施例中，可以包括一个或多个以下特征的任意选择：
电子枪包括光电阴极。
时间选通具有小于1ns的宽度。
束点小于1μm。
电子束的能量可以被改变。
选通阴极发光被去卷积成2D空间分辨率增强的阴极发光图。
选通阴极发光被去卷积成3D空间分辨率增强的阴极发光图。
电子束的能量被改变。
阴极发光被光谱解析。
通过选择网格和算出每个单元体积元素对测量的阴极发光产生的影响实施去卷积。
实施蒙特卡洛模拟以计算每个单元体积元素对测量的阴极发光的权重（影响）。
方法被应用于计算每个单元体积元素对测量的阴极发光的权重。
通过求解多方程系统实施去卷积。如果其被过度确定，使用拟合方法，比如最小平方法。
对每个测量的光谱间隔实施去卷积。
在不背离如所附权利要求中限定的本发明范围的情况下，对所描述的本发明实施例的各种修改和变型，对于本领域技术人员而言将是显而易见的。尽管本发明结合具体的优选实施例已被描述，但应该理解的是，本发明如所要求保护的不应该被不适当地限制于该具体的实施例。

Claims (15)

1.一种用于产生阴极发光图的方法，其包括以下步骤：
产生强度可调节的带电粒子束；
在样品上聚焦所述带电粒子束；
瞬时选通由所述样品发出的阴极发光，从而提供时间选通阴极发光；针对所述样品上不同带电粒子束位置，测量所述时间选通阴极发光用以产生阴极发光图；
对所述阴极发光图去卷积，以改进所述阴极发光图的分辨率。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述阴极发光图的去卷积步骤包括以下步骤：将所述样品的至少一部分体积离散成单元体积区域；并确定由所述样品内不同单元体积发出的阴极发光。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述阴极发光图的去卷积步骤还包括限定一组参数的步骤，所述参数描述所述单元体积的激发状态。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述阴极发光图的去卷积步骤还包括步骤，即从所述阴极发光图中消除由所述样品的单元体积产生的阴极发光影响，所述单元体积位于电子束被聚集的所述样品的横向位置上。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中对所测量的时间选通阴极发光去卷积以改进所述阴极发光图的分辨率的步骤，包括对所测量的时间选通阴极发光去卷积以改进所述阴极发光图的空间横向分辨率和/或深度分辨率的步骤。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，还包括对所测量的时间选通阴极发光去卷积以提供两个或更多2D阴极发光图的步骤，所述图中的每一个表示从位于所述样品的不同深度处的平面中发出的阴极发光。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，还包括改变所述带电粒子束的能量，从而使所述带电粒子束内的粒子穿透所述样品至不同深度的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，还包括针对所述带电粒子束的不同能量，测量时间选通阴极发光的步骤。
9.如上述权利要求中任一项所述的方法，还包括光谱地解析阴极发光图的步骤。
10.如上述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤：在延迟周期后，测量一个或多个其它时间选通阴极发光；并将所述一个或多个其它测量的时间选通阴极发光与所述阴极发光图比较，以确定所述带电粒子是否已在所述样品中移动。
11.一种阴极发光图生成装置，其包括：
产生强度可调节的带电粒子束的电子束发生器；
将所述带电粒子束聚集在样品上的聚焦元件；
瞬时选通由所述样品发出的阴极发光的装置；
针对所述样品上的不同电子束位置，测量时间选通阴极发光的装置；和
使用所述测量的时间选通阴极发光形成阴极发光图的装置；和
对所述时间选通阴极发光图去卷积以改进所述阴极发光图的分辨率的装置。
12.如权利要求11所述的阴极发光图生成装置，其中对所述阴极发光图去卷积，以改进所述阴极发光图的分辨率的装置是被配置为对所述阴极发光图去卷积，以改进所述阴极发光图的横向空间分辨率和/或深度分辨率的装置。
13.如权利要求11或12中任一项所述的阴极发光图生成装置，还包括对所述测量的时间选通阴极发光去卷积以提供两个或更多2D阴极发光图的装置，所述2D阴极发光图中的每一个表示从处于所述样品的不同深度处的平面中发出的阴极发光。
14.如权利要求11-13中任一项所述的阴极发光图生成装置，其中所述电子束发生器包括光电阴极。
15.一种装置，其包括具有小于约1ns的循环周期的激光器、光电阴极、一个或多个电子光学透镜组、一个或多个电子偏转器、将由所述激光器产生的激光束聚焦在所述光电阴极上的透镜、选通光检测器，所述光电阴极被配置为产生响应于所述激光束的脉冲并通过所述电子光学透镜组将电子脉冲传递至样品，和所述偏转器用于聚焦和放置所述电子并激发所述样品，从而产生阴极发光，所述选通光检测器具有小于约1ns，用于选通处于不同激发点的所述阴极发光的栅，从而产生时间选通阴极发光图。
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