CN103681188B - 探查和校正带电粒子透镜系统中的像差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的名称是探查和校正带电粒子透镜系统中的像差的方法，透镜系统具有包括物平面的物空间和包括像平面的像空间，由此放置在物平面上的物体能够通过透镜系统而被成像到所述像平面上，透镜系统还具有入射光瞳。本发明的方法包括以下步骤：选择物平面上的固定轴心点；导引带电粒子射束通过轴心点、入射光瞳以及透镜系统并且到像平面上，射束相对于入射光瞳的面积具有相对小的横截面积；改变射束通过轴心点的定向，以便在入射光瞳上描绘出入射图形并且在像平面上描绘出对应的像图形；记录像图形；在透镜系统的一系列不同焦点设定处重复这个过程，从而在不同焦点设定处采集被记录的像图形的集合；分析该集合以便从其得到透镜像差。

Description

探查和校正带电粒子透镜系统中的像差的方法

技术领域

本发明涉及一种探查带电粒子透镜系统中的像差的方法，所述透镜系统具有包括物平面的物空间和包括像平面的像空间，由此放置在所述物平面上的物体能够通过所述透镜系统而被成像到所述像平面上，所述透镜系统还具有入射光瞳。

本发明还涉及一种带电粒子显微镜，其包括：

-带电粒子源，用于产生带电粒子射束；

-样品支架，用于保持和定位样品；

-带电粒子透镜系统，用于将所述样品的至少一部分成像到像平面上；

-检测器，用于检测所述样品在所述像平面的图像。

背景技术

出于清楚和一致性的目的，如贯穿本文正文和所附权利要求所使用的以下术语应该被解释如下：

-术语“带电粒子”包含电子或离子(通常为阳离子，举例来说诸如镓离子或氦离子，但阴离子也是可能的)。例如，它还可以是质子。

-术语“带电粒子透镜系统”指的是能够被用来操纵带电粒子射束的一个或多个静电和/或磁透镜的系统，举例来说用来向其提供特定的焦点或偏转和/或减轻其中的一个或多个像差。除了(各种类型的)常规透镜元件之外，该带电粒子射束系统(粒子-光学镜筒)还可以包括诸如偏转器、消像散器、多极、光圈(光瞳)挡片等元件。

-术语“带电粒子显微镜”(CPM)指的是采用至少一个带电粒子透镜系统来创建通常太小以致不能用人的肉眼以令人满意的细节看见的物体、特征或部件的放大图像的设备。除了具有成像功能之外，这样的设备还可以具有机械加工功能；例如，它可以被用来通过从其去除材料(“研磨”或“消融”)或者向其添加材料(“沉积”)而局部地修改样品。所述成像功能和机械加工功能可以通过相同类型的带电粒子来提供，或者可以通过不同类型的带电粒子来提供；例如，聚焦离子射束(FIB)显微镜可以采用用于机械加工目的的(聚焦)离子射束和用于成像目的的电子射束(所谓的“双射束”显微镜，例如“FIB-SEM”)，或者它可以用相对高能量的离子射束来执行机械加工而用相对低能量的离子射束执行成像。

-术语“样品支架”指的是任何类型的台、平台、臂等，在其上样品能够被安装并且保持在适当位置。通常，这样的样品支架将被包括在镜台组件中，它能够与所述镜台组件一起被以若干自由度准确地定位，例如在电致动器的帮助下。

这样的概念将为技术人员所熟悉。

在下文中，将-通过示例的方式-常常在电子显微镜的特定上下文中对本发明进行阐述。然而，这样的简化只意在用于清楚/示意性的目的，并且不应该被解释为限制。

电子显微镜是用于对微观物体进行成像的众所周知的技术。基本属的电子显微镜已经历了到许多众所周知的设备种类的演进，诸如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)以及扫描透射电子显微镜(STEM)，以及还有到各种子类的演进，诸如所谓的“双射束”工具(例如FIB-SEM)，其另外采用离子的“机械加工”射束，从而允许举例来说诸如离子射束研磨或离子射束引发的沉积的支持活动。在传统的电子显微镜中，成像射束在给定成像会话期间“持续”延长的一段时间；然而，其中成像基于电子的相对短的“闪现”或“突现”而发生的电子显微镜也是可用的，这样的方法在试图对例如移动样品或辐射敏感的试样进行成像时具有潜在益处。

诸如TEM的CPM将典型地采用若干透镜的系统来将物平面成像到像平面上；这个系统按照惯例被称为“投射系统”(投射镜筒、投射透镜系统)。在这个投射系统中，每个连续的透镜可以渐进地放大来自在前透镜的图像，以便获得高达百万量级的累积放大因子。这样的投射系统的第一透镜(在物端)按照惯例被称作“物镜透镜”。当使用CPM对样品进行成像时，所获得的图像的质量将尤其受到所采用的投射系统中的像差的存在/程度/性质影响，并且特别受到物镜透镜中的像差影响-因为它们被投射系统中的所有连续透镜放大，所以物镜透镜中的像差趋于占支配地位。这样的像差的众所周知的示例包括球面像差、散光和慧差，但是还存在更加“奇异的”像差，举例来说诸如所谓的三倍散光和五倍散光。现代TEM(CPM)因此可以在投射系统中(或附近)采用像差校正装置，为了补偿物镜透镜(和/或其他透镜元件)中的显著像差的目的，所述装置能够包括多个透镜和多极(举例来说)。

能够检测和量化透镜像差的存在是重要的，以便能够采取最佳定制的校正措施；例如，知道带电粒子透镜中的散光的方向和大小允许校正消像散器元件以在很大程度上消除所述散光的方式被激发，从而导致改进的成像结果。除消像散器的使用之外，还能够使用举例来说诸如(一系列)适当的静电或磁多极的光学器件来减轻透镜像差。

用来执行如开头段落中所阐述的方法的一个已知方式涉及无定形样品(或至少样品的无定形区域)在透镜系统的物平面中的放置，以及带电粒子射束贯穿其的通过。样品材料在射束路径上的无定形性质使射束被散射并且“成扇形展开”成宽圆锥形，以便基本上填充透镜系统的入射光瞳。在像平面上结果得到的强度分布被检测，并且其傅里叶变换(FT)被计算(前述宽圆锥形几何形状被用来确保透镜系统中的所有空间频率都被充分采样)。散射的与未散射的射束分量之间的干扰过程的特定细节使某些空间频率在结果得到的图像中消亡。这些消亡的(未被转移的)空间频率将它们本身表现为FT中的暗椭圆，所述暗椭圆按照惯例被称为“索恩环(Thonring)”。对这些索恩环的位置/形状的分析能够产生对称像差(例如散焦、两倍散光、球面像差等)的定量值。然而，非对称像差(例如慧差、三倍散光等)不影响索恩环的位置，并且这样的像差仅能够从以带电粒子射束的各种圆锥角/扇形角拍摄的若干图像的FT的集合被测量。为得到关于这个已知方法的更多信息，参见(例如)以下期刊文章：

F.Zemlin，K.Weiss，P.Schiske，W.KunathandK-.H.Herrmann，“Coma-freealignmentofelectronmicroscopeswiththeaidofopticaldiffractograms”，Ultramicroscopy3(1978)，pp.49-60。

这个已知方法具有某些缺点。例如：

-它需要无定形样品(样品的无定形区域)的存在。因为加载和定位这样的样品所需要的时间，这趋于使该过程放慢。

-它在数学上是复杂的：分析计算得到的FT并且尝试量化索恩环的位置常常证明是非常困难的，尤其在图像有噪声时。

-它仅在带电粒子射束和透镜系统被正确地对准或者接近于正确对准的情况下才工作；该方法在基本不对准的情况下完全失败。更具体地，如果不对准的程度使得没有索恩环被形成，则该已知方法将失败。这可能在(例如)基本射束倾斜、基本离轴射束、基本散焦、特定像差(例如慧差或散光)的基本值等存在的情况下发生。

-奇对称的像差-例如慧差-不能从以这个已知方式获得的单个图像预测，而需要费时的多个成像会话(如上面所提到的那样)。

因此，已知方法具有有限的有用性。

发明内容

本发明的目的是解决这些问题。更具体地，本发明的目的是提供如在开头段落中所阐述的方法，所述方法不需要样品在物平面的存在。此外，本发明的目的是这样的方法应该对透镜系统与横过其的带电粒子射束之间的(不)对准的程度相对不敏感。特别地，本发明的目的是新方法应该能够令人满意地探查大范围的透镜像差，包括慧差及其他非对称像差。此外，本发明的目的是这样的方法应该有助于像差的校正(无论是手动的还是自动的，例如反馈控制的)，例如以便(周期性地)校正已从预定最佳条件漂移的透镜系统。

这些及其他目的在如在开关段落中规定的、由以下步骤表征的方法中被实现：

-选择所述物平面上的固定轴心点；

-导引带电粒子射束通过所述轴心点、入射光瞳以及透镜系统并且到所述像平面上，所述射束相对于所述入射光瞳的面积具有相对小的横截面积；

-改变所述射束通过所述轴心点的定向，以便在所述入射光瞳上描绘出入射图形并且在所述像平面上描绘出对应的像图形；

-记录所述像图形；

-在所述透镜系统的一系列不同焦点设定处重复这个过程，从而在不同焦点设定处采集被记录的像图形的集合；

-分析所述集合以便从其得到透镜像差。

关于在这里使用的术语，应该注意下列各项：

-所述轴心点是抽象的点，所述带电粒子射束被导引通过所述轴心点并且“被驱向前”以便描绘出所述入射图形。实际上，它将是由所述射束在所述物平面与入射光瞳之间的空间中描绘出的圆锥(或类圆锥)体的顶点。它仅在所述被记录的图像的集合的采集期间被固定；一旦所述集合被采集，就可以根据需要为新的测量会话选择新的轴心点。

-因为所述射束被聚集，带电粒子射束的所述横截面可以是相对小的。替换地/补充地，可以使用具有缩减横截面的准直射束。

-可以不同方式执行所述像图形记录。例如，可以使用至少一个电子检测器(诸如CMOS或CCD检测器)，或者可以采用荧光屏以在其上用裸眼查看所述像图形和/或将它们记录在数据载体上等。

根据本发明的方法在若干重要方面不同于已知方法。例如：

-已知方法使用宽射束来完全填充入射光瞳，从而同时地实现不同倾斜的射线。相比之下，本发明的方法使用相对细的(小的)射束在入射光瞳上描绘出图形(诸如圆形)(由此仅所述入射光瞳的一部分需要被所述射束横过)，其中所述射束的不同倾斜方向被连续地而不是同时地实现。一般而言，在轴心点处的射束(的焦点)越小越好。并且，在透镜系统的入射光瞳处的射束越小就越好。射束厚度/横截面能够例如使用诸如聚光透镜、光阑等的射束操纵设备而被适当地调整。

-因为它不需要将射束散射成宽圆锥形，所以本发明不需要无定形样品(样品的无定形部分)在物平面处的存在-不像已知方法那样，这仅能够用射束路径上的适当无定形散射材料来执行。已经说过，如果轴心点位于样品(样品的固体或液体材料)内/紧靠样品(样品的固体或液体材料)定位，则当前方法将不一定失败，但是这样的样品进而应该对于射束而言优选为基本上透明的(或者至少尽可能透明)。

-已知方法需要相对复杂的数学分析技术(FT计算以及暗索恩环的位置识别)，采用所述数学分析技术相对难以对混杂的像差的“大杂烩”去卷积；另一方面，在当前发明中采用的数学分析(对不同焦点设定处的像图形的分析)本质上通常更容易并且更健壮(尤其因为所研究的像图形是简单背景上的定义明确的几何形状)。

-当前发明的方法在透镜系统的不同焦点设定处采集像图形的集合(例如通过最佳焦点(欠焦点/最佳焦点/过焦点)。已知方法不调整透镜系统的焦点设定作为其像差探查方法的部分。

将在下面更详细地阐明这些及其他差异。

根据本发明，上面所提到的分析步骤可以包括执行(在不同焦点设定处的被记录的像图形的)所述集合到使用数学模型预测的理论像图形的集合的数学拟合。在这个方法中，采用参数化的数学模型，其描述了透镜系统以其将输入物体转换成有像差的输出图像的方式。进而针对所采用的入射图形(例如给定半径的圆形)和焦点设定(例如最佳焦点+以100nm的距离增量在最佳焦点每侧十步)使用这个模型来预测理论像图形的集合。下一个步骤(数学拟合)进而能够涉及两个不同的万法，即：

-决定方法(被动方法)。此处，通过适当地调谐所述模型的各种参数而使预测图形的集合与测量图形的集合开始达成一致。一旦已达到(最佳)一致，所述模型参数的经调谐的值就能够被用来为各种透镜像差提取值。

-校正方法(主动方法)。此处，试图使测量图形的集合与由所述模型使用对应于无(或非常小的)透镜像差的参数所生成的理想化的预测图形的集合开始达成一致。为此目的，调谐透镜系统的特定方面(例如通过调整激发电流)和/或部署位于射束路径近侧的一个或多个专用电校正装置(例如消像散器、偏转线圈、偏转电极)，从而调整在所述像平面处观察到的透镜像差。以这种方式，操纵实际图像以便使其尽可能地与理想图像一致。

本发明允许这些方法中的任一个或两者被执行，并且允许它们被手动地和/或自动地(例如在自动反馈回路中)进行。应该注意的是，此处所提到的校正装置被称为“电校正装置”是因为它们通过电输入来激发；另一方面，它们的输出可以例如为电场或磁场。例如，消像散器是磁多极(例如六极器)，其中电激发产生磁场-其能够被用来减轻例如电子射束透镜系统中的散光效应。作为消像散器的替代方案，能够使用相对简单的偏转器来产生能够被用来减轻例如慧差的射束倾斜。在离子射束透镜系统的情况下，通常优选采用产生静电场而不是磁场的校正装置。

在如在先前段落中所阐述的方法的特定实施例中，所采用的数学模型使用二维函数按波阵面上每点的相位(和相位梯度)中的局部变化来描述通过所述透镜系统的波阵面形变。例如，考虑在其上能够使用二维坐标系来参照各个点的平面波阵面(在当前情况下为笛卡尔坐标系，但例如极坐标也是可能的)。因为所述波阵面横过透镜系统(其光轴与z轴平行地延伸)，所以根据这个模型，在波阵面上的点处的给定无限小面积将经历：

-相移φ(x，y)；

-倾斜T(俯仰和/或偏航，以z轴为参照)，其为φ(x，y)的局部梯度值，其中的任一个针对给定点都可以具有零值。现在使用对于各种像差的需要的物理知识，而用公式表示φ(x，y)和T的函数，所述函数描述与每个像差相关联的波阵面的几何形状。例如，简单的散光将产生波阵面的圆柱形变，而球面像差将产生球形形变等，并且能够按(参数化的)几何函数来描述这样的形变；由透镜系统所产生的累积(结果得到的)像差进而是这样的函数的总和。

在在如先前段落中所阐述的方法的另一个方面，所述二维函数被展开为泰勒级数，其系数产生关于各种透镜像差的大小的信息。例如，如果我们通过符号ψ来表示横过透镜系统的波阵面，则进入和离开透镜系统的波阵面(与光轴z平行)之间的函数相关性能够由等式来表示：

ψ_extt＝ψ_tne^-ikφ(x，y)；k＝2π/λ(1)

其中φ(x，y)表示相位而λ表示波长(并且x、y、z是笛卡尔坐标)。二维函数φ(x，y)能够如下被展开为泰勒级数：

$\mathrm{\φ}(x,y)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n!m!}{\left(\frac{{\∂}^{n+m}\mathrm{\φ}(x,y)}{{\∂x}^n{\∂y}^m}\right)}_{\underset{y=0}{x=0}}{x}^n{y}^m=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{nm}}{x}^n{y}^m---\left(2\right)$

产生具有x、y、xy、x²、y²、x²y、y²x、x³、y³等项的二维多项式。这个多项式的各个系数a_nm进而能够以对应于例如所谓的塞德耳像差系数(或者替换地，对应于例如所谓的查涅克像差系数，或者对应于这样的系数的变体/混合)这样的方式被组合在一起。使用这个函数形式，能够计算什么像图形将由给定入射图形产生(在沿z轴的不同位置处，或者等同地在沿z轴的固定位置处但使用透镜系统的不同焦点强度(散焦))。当这些与透镜系统从该相同入射图形产生的实际像图形相比较时，能够：

-调整所述多项式的系数以便产生计算与观察之间的良好拟合；结果得到的系数值进而产生各个像差值(例如经由所述塞德耳系数)；

-调整透镜参数(例如激发、偏转设定、校正器设定)以便产生观察与理想化的计算之间的最佳拟合；进而将透镜系统“操纵”成采用预选的像差集合(例如最小像差)。

为得到关于塞德耳/查涅克系数的更多信息，对以下出版物进行了参考，例如：http://www.sinopt.com/leamingl/desnotes/seizem.htm。

如上面已经陈述的那样，当前发明与前述已知方法之间的差异在于当前发明使用在一系列不同焦点设定处采集的数据集合。这个差异的一个方面是通过在不同焦点设定处采集数据，本发明允许在已知方法的情况下是不可能的定性分析；例如，对图3B和3D的单纯的肉眼观察将告诉技术人员图中隐含的关于所述透镜像差的性质的许多信息，尤其是由于作为散焦的函数在各个像图形的形状/尺寸方面的基本演进而导致的。此外，当前发明的定量方面利用焦点设定的多样性，以便使可用像图形的数目与在关联的数学分析中采用的变量的数目匹配。当将数据拟合到数学模型时，所期望的是具有超定拟合(或者至少不是具有欠定拟合)：技术人员将知道这点，并且将能够选择适当数目的焦点设定以与特定模型中的浮点变量的数目匹配-这进而将取决于试图量化的像差的数目。在许多情况下，6-12个不同焦点设定将证明是足以确定诸如球面像差、常见散光以及慧差的低阶像差的数目。尽管不是完全必要，但是将所述一系列焦点设定中的至少一个点选择为在最佳焦点处或近侧常常是优选的：对图3A-3D的简单观察再次示出在最佳焦点附近在像图形的形状方面存在许多有趣的演进。在许多情况下，选择跨越最佳焦点的一系列焦点设定将是有用的，以便包括欠焦点和过焦点(低于焦点和超出焦点)。

在根据本发明的方法中，在入射光瞳上描绘出的入射图形(经由在物平面上游的一个或多个偏转器的适当激发，连续地导引射束通过所选轴心点)能够具有各种可能的形状。非限制性示例包括圆形、螺旋形、点的方阵、多个同心圆等。技术人员将能够选择特定的(一个或多个)入射图形以便最佳匹配正在使用的数学模型和/或主要有兴趣探查的像差的类型。将圆形用作入射图形的优点例如在于，由于它在不同场景中被变换成的特征像图形，其促进各种常见像差的视觉/定性识别。例如：

-在完美的无像差透镜系统中，入射圆的最佳焦点图像是点(为所选轴心点的完美图像)。假定这发生在像平面的特定位置F处。

-在仅存在球面像差的情况下，入射圆在所述位置F处的图像现在是圆而不是点，其半径指示球面像差的大小。

-任何非轴向对称像差(即除球面像差以外的任何像差)的存在将把入射圆转换成不为圆形(或类似点)的像图形。这些像图形中的一些是可容易识别的：例如散光产生椭圆，慧差产生令人想起鸡蛋或泪滴的形状，而组合的散光/慧差产生星状图形。在纯散光(没有其他像差)的情况下，结果得到的椭圆图像的偏心率产生关于散光的大小的信息。

其他入射图形可以具有其他或类似的优点。

根据本发明的方法的特定实施例包括以下步骤：

-使用第一入射图形，被记录的像图形的第一集合在第一系列不同焦点设定处被获得；

-使用不同于所述第一像图形的第二入射图形，被记录的像图形的第二集合在第二系列不同焦点设定处被获得；

-对来自所述第一集合和所述第二集合的组合数据执行所述分析步骤。

应该注意的是，在这点上，所述第二入射图形可以在下列方面中的一个或多个不同于所述第一入射图形：尺寸、形状、定向、位置。例如，所述第一和第二入射图形可以为不同半径的圆，或者可以为不同偏心率和/或定向的椭圆，或者一个可以为圆形而另一个可以为正方形等等。还应该注意的是，根据选择/情况，第二系列焦点设定中的位置可以或可以不对应于第一系列焦点设定中的位置。这个实施例的优点是，通过提供要与其合作的另外的数据，它能够促进所述分析步骤；例如，它能够有助于使上面提到的数学拟合(充分地)超定。这个实施例的另一优点在于它允许关于入射光瞳的(基本上)不同的区域的数据的采集：例如如果使用相对小的和相对大的入射圆，则将采集到关于入射光瞳的内区和外区两者的数据。不用说，根据需要，可以扩展这个实施例以包括针对附加的入射图形而采集的另外的像图形集合。

作为先前段落中的实施例的替代方案，能够选择非恒定半径的单个入射图形；在这样的场景中，在描绘出所述入射图形时自动地对入射光瞳的不同区域进行采样。

在CPM的一些设计中，物镜透镜可能太厚(在光轴的方向上)以致于它在物平面的下游不完全适应，而其部分将位于物平面的上游(即在所谓的照明系统中而不是在所述投射系统中)。在这样的装置中，因此实际上存在位于物平面上游(即在其远离像平面的一侧)的辅助透镜系统。在这样的实例中，根据本发明的方法事实上将测量所述投射系统(在物平面的下游)和所述辅助透镜系统(在物平面的上游)两者的组合像差。这个辅助透镜系统中的像差与所述投射系统的像差相比可能不是可忽略的；然而，存在用来校正这个辅助透镜系统中的像差的相对简单的解决方案，以便它们的作用能够被忽略掉。这个解决方案涉及所述照明系统(在物平面的上游)的周期性校准，以便它产生准确地位于物平面内的轴心点。取决于给定CPM的具体情况(热漂移、样品荷电等)，这样的校准例如可以一周执行一次-或者根据需要较不经常/更经常。

应该注意的是，在CPM中执行的一些类型的研究不能够容忍在物平面处的任何场，例如因为样品的磁性正被探查。在这样的CPM中，物镜透镜被阻断-以便在先前段落中提及的辅助透镜系统被有效地去除。这种类型的(较低放大率)显微镜被称为“洛伦兹显微镜”。在洛伦兹显微镜中，当前发明的方法将仅测量投射系统中的像差。

如上面所阐述的那样，本发明的方法测量在将物平面成像到像平面上时涉及的所有透镜的组合像差。为了区分具体透镜元件的贡献，当前方法能够根据需要从在一个轴心点处倾斜扩展到在两个或更多个适当选择的轴心点处倾斜。在这个上下文中，应该注意的是，如果给定轴心点被选择以便位于具体透镜元件的中心(中央)(同时位于组合的剩余透镜元件的物平面中-可使用所述透镜元件的适当焦点设定得到的场景)，则该具体透镜元件的像差将不对像平面中的图像形成做出贡献。这能够被用来区分来自该具体透镜元件的像差和来自所有其他透镜元件的组合动作的像差。

对于技术人员而言将清楚的是，关于其在CPM中的应用，当前发明在探查/校正TEM中的透镜像差方面特别相关，因为TEM中的光学器件具有显著的成像功能。尽管如此，本发明方法还可以被用来探查/校正举例来说诸如STEM的其他类型的CPM中的透镜像差。如上面已经陈述的那样，基于离子(或基于质子)的CPM还可以受益于本发明方法的应用。

应该注意的是，能够设想当前发明的变体，由此物平面相对地远离所讨论的透镜系统，其中带电粒子射束能够被认为是基本上垂直地冲击透镜系统(针对被认为(近似地)是在无穷远处的物平面)。在这样的场景中，能够在透镜系统的后焦平面上观察到像图形。这样的构造落入当前说明和权利要求的范围内。

附图说明

现在将基于示例性实施例和所附示意图对本发明进行更详细的阐明，在示意图中：

图1呈现了能够在其中实现根据本发明的方法的带电粒子显微镜(TEM)的部分的纵向横截面视图。

图2是能够被用来阐明当前发明的特定方面的特定几何/光学结构的图示。

图3A-3D描绘了一系列计算和观察到的像图形-针对通过最佳焦点的一系列焦点增量-产生自给定的圆形入射图形并且关于使用根据本发明的方法所探查的带电粒子透镜系统。

在图中，在相关的地方，对应的部分使用对应的参考标记来指示。

具体实施方式

实施例1

图1呈现了能够在其中应用当前发明的CPM的具体实施例的高度示意性的纵向截面视图。在本实例中，CPM是TEM。

所描绘的TEM包括经由连接到真空泵122的镜管121被排空的真空外壳120。采用电子枪101的形式的粒子源沿粒子-光轴(成像轴)100产生电子射束。电子源101例如可以是场发射体枪、肖特基发射体、热离子电子发射体。由源101所产生的电子被加速到典型地为80-300keV的可调能量(尽管使用具有例如50-500keV的可调能量的电子的TEM也是已知的)。经加速的电子射束进而穿过用铂片提供的限束孔径/光阑103。为了使电子射束正确地对准孔径103，射束能够借助于偏转器102而被移位和倾斜，以便射束的中心部分沿轴100穿过孔径103。射束的聚集使用聚光系统的磁透镜104连同最后的聚光透镜105(的部分)一起来实现。偏转器(未描绘)被用来使射束集中在样品上的所关心的区域上，和/或用来扫描在样品表面上的射束。在这个示意性的功能描绘中，偏转器102在CPM中被示出在相对高处，而最后的聚光透镜105被示出为相对小；然而，技术人员将理解，偏转器102在CPM中可以位于远远更低处(例如嵌套在透镜105内)，并且所述项105可以比所描绘的大得多。

待检查的样品被样品支架112保持使得它能够被定位于投射系统106(其最上面的透镜元件按照常规被称为物镜透镜，如早先已经阐述的那样)的物平面111中。样品支架112可以提供各种位置/运动自由度((一个或多个)平移、俯仰、横滚以及偏航中的一个或多个)，并且还可以具有温度控制功能(加热或低温)。它可以为用于将静态样品保持在包容平面中的常规类型的样品支架；替换地，样品支架112可以是在能够包含例如液体水或其他溶液的流的流平面/通道中容纳移动样品的特殊类型的样品支架。

样品通过投射系统(投射透镜系统、投射镜筒)106而被成像到荧光屏107上，并且能够通过窗口108查看。在屏幕上形成的放大图像典型地具有范围10³x-10⁶x内的放大率，并且可以示出例如小至0.1nm或更小的细节。荧光屏107被连接到铰链109，并且能够被缩进/折叠起来使得由投射系统106所形成的图像冲击初级检测器151。注意到的是，在这样的实例中，投射系统106可能需要(略微)重新聚焦以便在主检测器151上而不是在荧光屏107上形成图像。进一步注意到的是，投射系统106可以另外在中间像平面(未描绘)处形成中间图像。

主检测器151可以例如包括用于检测冲击电子的电荷耦合器件(CCD)，或例如CMOS器件。作为电子检测的替代方案，还能够使用检测光的CCD-诸如由与CCD接合或者通过光纤(例如)连接到其的钇铝石榴石(YAG)晶体(例如)所发出的光。在这样的间接检测器中，YAG晶体在电子击中该晶体时发射许多光子，并且这些光子中的一部分被CCD相机检测到；在直接检测器中，电子撞击CCD的半导体芯片并且生成电子/空穴对，由此形成待由CCD芯片检测的电荷。检测器151被连接到处理设备(控制器)和显示单元[未描绘]。

在荧光屏107上和在主检测器151上形成的图像由于(例如)在投射系统106中产生的不完美而通常是有像差的。为了校正这样的像差，能够在投射系统106中/附近部署各种多极。这样的多极在图1中未被描绘，以便避免使图混乱，但技术人员将熟悉它们的设计、定位以及实现。

在一些TEM中，所期望的是能够在远离光轴100的方向上使电子射束转向，例如以便将其导引到EELS检测器中(EELS＝电子能量损失光谱)中。这样的转向能够例如借助于偏转器152来实现。

应该注意的是，图1仅示出了(经简化的)TEM的示意性呈现，并且实际上，TEM通常将包括远远更多的偏转器、孔径等。

在当前发明的上下文中，有时所期望的可能是执行以下动作中的一个或两者：

-探查发生在投射透镜系统106中的像差(的类型和大小)；

-调整TEM的一个或多个部件的参数，以便在成像操作期间观察到的透镜像差取特定值(例如零或最低可实践的值或一些其他预定的值集合)。

为此目的，能够遵循诸如以下所列的过程：

-使样品支架112没有样品，或者将其定位成使得被保持在其上的任何样品不与光轴100相交。这不是完全必要的，但被射束横过的任何样品材料将趋于不利地影响当前方法的精度。如果样品材料存在，则它应该优选地对于所采用的射束而言是尽可能透明的。

-借助于偏转器102、孔径103和/或聚光透镜104，产生了相对窄的电子射束。这个射束相对于投射系统106的物镜透镜的(未描绘的)入射光瞳的面积具有相对小的横截面积(例如达到约30％的数量或更少)。

-固定轴心点被选择。在其中轴上像差待探查的情况下，这个轴心点将在投射系统106的物平面111与其光轴100的交点处。然而，选择在物平面111内但远离光轴100放置的轴心点也是可能的，在这种情况下离轴像差能够被探查。不管它相对于光轴100可能具有的任何倾斜，该电子射束将总是被导引通过这个轴心点。

-使用(例如)偏转器102，电子射束相对于光轴100被倾斜并且在光轴100附近“被驱向前”，以便在所述入射光瞳上描绘出(未描绘的)入射图形(例如圆形或椭圆形)。投射系统106进而将把所述入射图形变换成对应的像图形(图1中未示出，但在图3中被描绘)。根据工具用户的期望/要求，这个像图形能够在屏幕107上用肉眼观察到和/或被检测器151电子地记录；前一选项本身有助于像差的定性探查，而后一选项在定量探查的情况下通常将是更合适的。

-针对一系列不同的(递增)焦点设定重复将入射图形转换成对应像图形的这个过程，例如通过并且在最佳焦点的任一侧。这些焦点设定能够通过适当地改变投射系统106的特定参数而被调整。

-一旦像图形集合以这种方式被采集，它就能够被分析以便从其得到各种(类型和大小的)透镜像差。将在下一个实施例中给出这能够如何被实现的示例。

实施例2

图2是能够被用来阐明当前发明的特定方面的特定几何/光学结构的图示。

在该图中，未描绘的透镜系统的光轴沿笛卡尔坐标系统的z轴延伸。沿这个z轴从左到右，示意了三个平面，其分别表示所述透镜系统的物平面、入射光瞳(等同薄透镜的透镜平面)以及像平面。这些平面是相互平行的，并且与z轴正交。物平面与入射光瞳之间的距离是u，而入射光瞳与像平面之间的图像是v。

在物平面上所描绘的是固定轴心点O，其在当前情况下位于z轴上。从这个轴心点O到入射光瞳上的点P画射线，并且从那里开始向像平面上的点GI(高斯图像)画射线；这个射线表示在没有任何像差的情况下光束在完美透镜中的路径。还描绘的是从点P到像平面上的图像I的射线；这个射线表示在存在像差的情况下光束在实际透镜中的路径。所述像差的效应是使实际图像I从完美图像GI移位。用角度表达，这个位移是Δα，其能够被认为是具有分别沿x轴和y轴的分量Δα_x和Δα_y。

点P具有x和y坐标。在当前场景中，依照本发明，射束通过轴心点O的定向被改变，以便在入射光瞳上描绘出入射图形。如此处所描绘的那样，入射图形是半径为r的圆，其能够由等式x²+y²＝r²来表示。在完美透镜中，这个圆上的所有点将被成像到点GI上；然而，在实际透镜(具有像差)中，点I将响应于由点P在入射光瞳上描绘出的(圆形的)入射图形而在像平面上描绘出像图形。

当前发明的方法针对给定的入射图形以及针对一系列(散)焦点设定记录这样的像图形的集合，所述一系列(散)焦点设定能够被认为是对应于像平面沿z轴的不同位置。所述方法基于相位函数φ(x，y)来开发数学模型，所述相位函数φ(x，y)描述了对发生在入射光瞳处的波阵面的改变。这个模型的进一步的细节在以上和以下的讨论中被阐述。

根据需要，由函数φ(x，y)表示的总透镜动作能够被分成引起完美成像的理想分量φ_idsal(x，y)和表示像差的非理想分量χ(x，y)，使得：

φ(x，y)＝φ_idsal(x，y)+χ(x，y)。

在这样的实例中，前述位移角分量Aα_x和Δα_y能够被表达为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_x=\frac{\∂\mathrm{\χ}(x,y)}{\∂x}$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_y=\frac{\∂\mathrm{\χ}(x,y)}{\∂y}$

即表达为χ(x，y)的向量梯度。另一方面，没有像差存在的完美折射角能够被表达为φ_idsal(x，y)的梯度。

为了良好的秩序，图2示意了依照本发明还能够选择离轴轴心点；这由从物平面上的轴上点O向上延伸的虚线箭头来表示。在处于物平面上的轴心点的位置上的这样的漂移将引起在处于像平面上的图像的位置上的对应漂移-如由该平面上的虚线箭头示意性地指示的那样。

实施例3

图3A-3D描绘了计算和观察到的像图形的集合-针对通过最佳焦点的一系列焦点增量-产生自给定的圆形入射图形并且关于使用根据本发明的方法所探查的TEM中的带电粒子投射系统。在图3A-3D的每一个中：

-左手边的栏示出了以100nm为增量的与所讨论的透镜系统的一系列不同的(散)焦点设定相对应的计算得到的像图形的集合。垂直分度标尺示出了针对给定图的散焦的(累积)量，而水平分度标尺以微米为单位示出了图形的尺寸。

-右手边的栏示出了实际上由TEM投射系统所产生的对应的被记录/观察到的图形。这些图形每次一个被记录，但此处被堆叠以帮助与左栏的比较。

在计算和观察到的图形集合之间存在极好的一致，因为用来生成计算得到的图形的模型的各种参数(级数展开的系数)已被准确地拟合到观察到的图形。

现在，更详细地：

-图3A中的情形基本上对应于仅具有球面像差的完美对准的透镜系统。注意，在最佳焦点处的像图形是点，并且其他像图形是圆形。

-图3B中的情形基本上对应于仅具有常见的(两倍)散光(并且可能存在一些球面像差)的透镜系统。注意，像图形现在是其偏心率取决于散焦量的椭圆形。

-图3C中的情形基本对应于仅具有慧差(并且可能存在一些球面像差)的透镜系统。注意，像图形现在是枕头状的。

-图3D中的情形对应于具有常见散光和慧差两者(并且可能存在一些球面像差)的透镜系统。注意，像图形能够示出取决于散焦值从泪滴状向星状到豆状改变的形状。

根据对这些像图形的单纯的肉眼观察，能够相对于存在于所讨论的透镜系统中的像差来收集许多定性信息(以及还有一些定量信息)。当计算和观察到的像图形集合被拟合/调谐到彼此时能够得到远远更多的定量信息，如此处所描绘的那样以及如上面详细地阐述的那样。在图3A中的情形的情况下，使用(不同半径的)两个不同的入射圆来采集两个像图形集合将允许所观察到的球面像差的值被计算。

实施例4

根据以上等式(2)，相位函数φ(x，y)能够被展开为二维多项式。这个多项式中的各个项a_nmxⁿy^m能够被分组到特定簇中。例如：

φ(x，y)＝a₀₀+

a₁₀x|a₀₁y|

a₂₀x²+a₁₁xy+a₀₂y²+

a₃₀x³+a₂₁x²y+a₁₂xy²+a₀₃y³+

a₄₀x⁴+a₃₁x³y¹+a₂₂x²y²+a₁₃x¹y³+a₀₄y⁴+

a₅₀x⁵+a₄₁x⁴y¹+a₃₂x³y²+a₂₃x²y³+a₁₄x¹y⁴+a₀₅y⁵+

…

(3)

其中，各个簇具有以下物理意义：

第一簇(a₀₀)沿z轴的漂移

第二簇(a₁₀x+...)偏转(倾斜)

第三簇(a₂₀x²+...)散焦+一阶像差

第四簇(a₃₀x³+...)二阶像差

第五簇(a₄₀x⁴+...)三阶像差

第六簇(a₅₀x⁵+...)四阶像差

等等。能够按其他系数，例如(准)塞德耳像差系数来重写这些簇中的每一个中的多项式。例如，如下重写以上的第三簇也是有可能的：

$a_{20}{x}^2+a_{1:}\mathrm{xy}+a_{02}{y}^2=\frac{1}{2}{C}_{10}(x^2+y^2)+C_{12b}\mathrm{xy}+\frac{1}{2}{C}_{12a}(y^2-x^2)$

$=\frac{1}{2}(C_{10}-C_{12a})x^2+C_{12b}\mathrm{xy}+\frac{1}{2}(C_{10}+C_{12a})y^2---\left(4\right)$

使得：

$\begin{array}{ccc}{a}_{20}=\frac{1}{2}(C_{10}-C_{12a})& a_{11}=C_{12b}& a_{02}=\frac{1}{2}(C_{10}+C_{12a})\end{array}---\left(5\right)$

以及因此：

C₁₀＝a₂₀+a₀₂C_12b＝a₁₁C_12a＝a₂₀-a₀₂(6)

其中：

C₁₀是与散焦关联的塞德耳系数；

C_12a和C_12b是与常见/两倍散光关联的塞德耳系数。

能够类似地按塞德耳系数来重写上面所阐述的其他簇。例如，能够以形式：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{aberr}2}(x,y)=\frac{1}{3}(C_{21a}x+C_{21b}y)(x^2+y^2)+$

$\frac{1}{3}{C}_{23a}x(x^2-3y^2)+\frac{1}{3}{C}_{23b}y(y^2-3x^2)---\left(7\right)$

来重写第四簇(二阶像差：a₃₀x³+...)

其中：

C_21a和C_21b是与慧差关联的塞德耳系数；

C_23a和C_23b是与三倍散光关联的塞德耳系数。

应该明确注意的是，还能够用极坐标来表达等式(3)-(7)。在那种情况下，塞德耳系数C_12a和C_12b的对“浓缩”成单个系数C₁₂，同时类似的“浓缩”用于塞德耳对C_21a和C_21b以及塞德耳对C_23a和C_23b等。

以这种方式，有可能按特定系数-诸如塞德耳系数(或者替换地为查涅克系数或一些其他系数集合)重写等式(3)-从而使得使用本发明的方法对各种透镜像差进行建模/标识变得更容易。

Claims (18)

1.一种探查带电粒子透镜系统中的像差的方法，所述透镜系统具有包括物平面的物空间和包括像平面的像空间，由此放置在所述物平面上的物体能够通过所述透镜系统而被成像到所述像平面上，所述透镜系统还具有入射光瞳，所述方法由以下步骤来表征：

-选择所述物平面上的固定轴心点；

-导引带电粒子射束通过所述轴心点、入射光瞳以及透镜系统并且到所述像平面上，所述射束相对于所述入射光瞳的面积具有相对小的横截面积；

-改变所述射束通过所述轴心点的定向，以便在所述入射光瞳上描绘出入射图形并且在所述像平面上描绘出对应的像图形；

-记录所述像图形；

-在所述透镜系统的一系列不同焦点设定处重复这个过程，从而在不同焦点设定处采集被记录的像图形的集合；

-分析所述集合以便从其得到透镜像差。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述分析步骤包括执行所述集合到使用数学模型预测的理论像图形的集合的数学拟合，其中所述数学模型是描述了透镜系统以其将输入物体转换成有像差的输出图像的方式的参数化的数学模型，并且所述数学拟合至少不是欠定的。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述数学模型使用二维函数按波阵面上每点的相位和相位梯度中的局部变化来描述通过所述透镜系统的波阵面形变。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述二维函数被展开为泰勒级数，其系数产生关于各种透镜像差的大小的信息。

5.根据在前任一权利要求所述的方法，其中所述一系列不同焦点设定包括在最佳焦点处或近侧的至少一个点。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述一系列不同焦点设定跨越最佳焦点，以便包括欠焦点和过焦点。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述入射图形是圆形。

8.根据权利要求1所述的方法，其中：

-使用第一入射图形，被记录的像图形的第一集合在第一系列不同焦点设定处被获得；

-使用不同于所述第一入射图形的第二入射图形，被记录的像图形的第二集合在第二系列不同焦点设定处被获得；

-对来自所述第一集合和所述第二集合的组合数据执行所述分析步骤。

9.根据权利要求2所述的方法，其中所述一系列不同焦点设定中的焦点设定的数目使所述数学拟合超定。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述分析步骤被用来得到所述透镜系统中的球面像差、散光以及慧差中的至少一个。

11.根据权利要求1所述的方法，其中在所述物平面的上游，射束操纵设备被采用来调整所述带电粒子射束的横截面积，所述射束操纵设备包括选自包括聚光透镜、光阑及其组合的集合的至少一个装置。

12.根据权利要求1所述的方法，其中依照所述分析步骤，至少一个电校正装置在所述带电粒子射束的路径近侧被激发以便影响至少一个所得到的像差。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述电校正装置选自包括消像散器、多极、偏转线圈、偏转电极及其组合的集合。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述射束操纵设备被激发以便将所述透镜系统中的至少一个像差的观察值调谐成与该像差的计算值匹配。

15.根据权利要求1所述的方法，其中当描绘出每个入射图形时，所述带电粒子射束在所述物平面处或近侧不与固体或液体材料相交。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述轴心点被选择使得它不与所述透镜系统的光轴相交。

17.根据权利要求1所述的方法，其中：

-使用主轴心点，被记录的像图形的主集合在主要的一系列不同焦点设定处被获得；

-使用不同于所述主轴心点的次轴心点，被记录的像图形的次集合在次要的一系列不同焦点设定处被获得；

-对来自所述主集合和所述次集合的组合数据执行所述分析步骤。

18.一种带电粒子显微镜，其包括：

-带电粒子源，用于产生带电粒子射束；

-样品支架，用于保持和定位样品；

-带电粒子透镜系统，用于将所述样品的至少一部分成像到像平面上；

-检测器，用于检测所述样品在所述像平面的图像，

所述显微镜被构造和布置成执行如权利要求1-17中任一项所要求保护的方法，其中没有样品处于所述轴心点。