CN103843105A

CN103843105A - 暗视野像差矫正电子显微镜

Info

Publication number: CN103843105A
Application number: CN201180008909.6A
Authority: CN
Inventors: 克里斯多夫·书源翁; 安德鲁·布利罗齐; 保罗·约翰·达布罗维斯基
Original assignee: Magic Media Co Ltd (d\/b\/avoxa)
Current assignee: D/b/avoxa; Magic Media Co Ltd (d\/b\/avoxa); MOCHII Inc (D/B/A VOXA)
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2014-06-04
Also published as: JP2013519980A; WO2011100434A2; US8569694B2; WO2011100434A8; EP2534667A2; US20110192976A1; TW201137923A; US8324574B2; WO2011100434A3; WO2011100434A9; US20130043387A1

Abstract

一种穿透式电子显微镜，包括一电子束源(20)以产生一电子束，以电子束用光学组件聚集该电子束；一像差矫正器(90)至少矫正该电子束之球面像差；一位于该电子束路径上的一试片座，用来设置一试片(40)；一侦测器(80)用于侦测穿过该试片之电子束。该穿透式电子显微镜操作于晴视野模式下，其中第零阶电子束并不予以侦测。该穿透式电子显微镜并可操作在非同调照射模式下。

Description

暗视野像差矫正电子显微镜

优先权

本申请要求2010年2月10日提交的美国临时申请61/303,260和2010年6月7日提交的美国临时申请61/352,243的优先权，通过引用将它们的全部合并于本申请中。

技术领域

本发明涉及一种暗视野像差矫正电子显微镜。

背景技术

在某些应用中，电子显微镜常用来解析一试片中的单点状物体(singlepoint-like object)，该单点状物体可以是：例如，非晶型基板上之一个单原子群(single atoms)或一堆原子簇(cluster of atoms)。电子显微镜理论上可用来对一核酸(nucleic acid)的碱基(base)排序，例如，一串脱氧核糖核酸（DNA）之碱基(base)。

扫描穿透式电子显微镜(scanning transmission electron microscope；STEM)以电子束顺序逐条扫描一个试片，而将单点状物体成像。然而，STEM通常受限于扫描时间长，从而导致低产能(throughput)。例如，STEM扫描影像之每个像素所花费的时间为1微秒到10微秒，当用于顺序逐条扫描很多单点状物体的情况下，扫描时间可能太长以致于并不适用。另外，例如，在一有实用价值的时间下，完成一个完整的人类基因之排序，STEM也因产能太低而并不适合。

穿透式电子显微镜（Transmission electron microscopy,TEM），不像STEM，它是以平行输入对试片成像。但是，当利用TEM解析单点状物体时会存在问题，因为所得到之相对比(phase contrast)资讯，通常不足以解读。例如，在TEM影像的亮区可代表一个原子或少一个原子。因此，TEM虽然可能有良好的产能，它基本上无法获得足够好的试片资讯。

因此，期望获得能够可靠地解析点状物的电子显微镜，更进一步，期望这种电子显微镜具有实质上的高产能，同时，期望这种电子显微镜的成本可负担。

发明内容

在一实施例中，穿透式电子显微镜包含一电子源以产生电子束。以电子束用光学组件聚集该电子束。显微镜还包括像差矫正器，以至少矫正该电子束之球面像差(spherical aberration)。一位于该电子束路径上的一试片座(specimenholder)，用来设置一试片。此外，一侦测器用于侦测穿过该试片之电子束。本实施例中之穿透式电子显微镜操作于暗视野(dark field)模式下，其中第零阶电子束(zero beam)并不予以侦测。

在另一个实施例中，穿透式电子显微镜包含电子源以产生电子束。以电子束用光学组件聚集该电子束，该电子束用光学组件定义了一个光学显微镜的光轴(optic axis)，沿着该光轴该电子束用光学组件有大致上的圆柱对称。该显微镜还包括像差矫正器，其中包含一组件大致就在光轴上，以矫正该电子束之球面像差。一位于该电子束路径上的一试片座，用来设置一试片。此外，电子显微镜还包含一侦测器用于侦测穿过试片之电子束。本实施例中之穿透式电子显微镜操作于暗视野模式下，其中第零阶电子束并不予以侦测。

在另一个实施例中，穿透式电子显微镜包含一非同调电子束源产生一非同调电子束(incoherent electron beam)。以电子束用光学组件聚集该电子束。显微镜还包括像差矫正器至少矫正该电子束之球面像差。一位于该电子束路径上的一试片座，用来设置一试片。此外，一侦测器用于侦测穿过该试片之电子束。本实施例中之穿透式电子显微镜操作于暗视野模式下，其中零阶电子束并不予以侦测。

在另一个实施例中，一穿透式电子显微镜之电子束组件包含一电子源产生电子束。一像差矫正器至少矫正该电子束之球面像差。一位于该电子束路径上的一试片座，用来设置一试片。一侦测器用于侦测穿过该试片之电子束。该穿透式电子显微镜之电子束组件操作于暗视野模式下，其中第零阶电子束并不予以侦测。

在另一个实施例中，一穿透式电子显微镜之暗视野像差矫正器包括一像差矫正器至少矫正该电子束之球面像差。一个暗视野孔(dark-field aperture)包含一个暗视野阻挡组件(dark-field stop)，包含有（i）一圆盘阻挡组件(circular-discstop)位于电子束之径向中心(raradial center)，以阻挡电子束之中央部分;及（ii）一外圈阻挡组件(outer stop)与该圆盘阻挡组件同圆心，并与该圆盘阻挡组件相隔一环型间隙。

上述之描述及以下的详述，仅仅只是举例说明本发明之精神，并不用以限定本发明之专利范围。

附图说明

下列所附之图示，为本描绘书本体之一部份，描绘本发明的几个实施例及穿透式电子显微镜的样子。该图示与本说明书，有助于解释发明的原理。

图1A及1B为本发明像差矫正ADT-TEM柱之较佳实施例示意图。

图2A、2B、2C、2D、2E及2F为本发明像差矫正ADT-TEM柱的电子束之不同较佳实施例示意图。

图2G及2H为本发明像差矫正器的金属箔之较佳实施例示意图。

图3A、3Ai、3B、3Bi、3Bii、3C及3Ci为本发明像差矫正ADT-TEM的电荷在光轴上组件之不同较佳实施例透视图。

图4A及4B为本发明像差矫正ADT-TEM柱中，矫正寄生像差组件之较佳实施例示意图。

图5为本发明之利用第三阶矫正提供第五阶补偿示之示意图。

图6为本发明像差矫正ADF-TEM系统可提供矫正诊断机制之较佳实施例示意图。

图7为本发明ADF-TEM柱中，一STEM模式之较佳实施例示意图。

图8A、8B及8C为本发明之较佳实施例电脑模拟展示图，该电脑模拟展示电荷在光轴上像差矫正ADF-TEM之效果。

图9为本发明之非同调照射使用非同调电子源之较佳实施例示意图。

图10为本发明之一ADF-TEM参考版本之较佳实施例示意图。

图11为本发明之较佳实施例示意图，其中一倾斜及扫描电子束之影像成分被加总起来。

图12为一组图组，以描绘本发明之振幅对比加总而相位对比减少，以增加试片上物体成像识别之方法。

图13、14、15及16为本发明之非同调叠加设置之较佳实施例示意图。

具体实施方式

穿透式电子显微镜（TEM）能够平行输入电子束而使试片成像，理论上，它提供快速、高效的产能，如前所述。然而，当利用TEM解析单点状物体时，可能会出问题，因为所得到影像中的相对比资料通常不足以判读。例如，当试图对试片上之单原子群或一原子堆呈非周期性排列成像时，可能就有问题。

TEM成像可操作在“暗视野”模式，在此模式下，电子显微镜的电子束之中央电子束（称为“第零阶电子束”）是被阻挡掉的。事实上，暗视野模式可以是TEM之主要或专用影像模式。暗视野模式可以用单调对比(monotoniccontrast)来成像，它可直接从影像解读出相对原子重。例如，暗视野成像可被用来获取单原子群、一团簇的原子或纳米结构之化学性质映像(chemicallysensitive projections)。不过，暗视野模式可能会降低成像数据之产能，因为电子剂量较少，能，它可不是所想要的。因此，以同调照射(coherent illumination)为基础之暗视野成像技术又有球面或其它像差，可能就会是使暗视野成像产能变低。

为了增加速度，TEM成像可对像差矫正调整。被侦测的像差就使用电脑分析它，再将补偿讯号传递到产生像差之光学组件。此种像差的矫正可使成像之产能增加。产能的增加在使用TEM对DNA排序时特别有利。此种高产能可使TEM用于完整人类基因排序。例如，该电子显微镜可允许在200小时到约0.01分钟排序一组完整人类基因，例如20小时。在一特殊的高产能实施例中，电子显微镜排序一组完整人类基因可从10小时到约1分钟。

因此，像差矫正可于TEM内完成，也可调成在暗视野模式下操作。一如下文所述，当像差矫正是整个或部份采用“电荷在光轴上组件(charge-on-axiselement)”来完成，这样的组合是特别有利的。其中，电荷在光轴上是指一个或多个组件大约就在显微镜的第零阶电子束的地方。亮视野模式下，相对地，第零阶电子束并没有任何组件来挡它。

此外，在下文进一步描绘，一或更多的像差矫正模式和暗视野模式，可进一步结合非同调照射。如此处所述，非同调照射可使用”显着非同调”电子源或由电子束平移(shift)、扫描，或变换能量而产生。这种像差矫正、非同调照射及暗视野模式的组合，对增加产能可能特别有用。相对于同调照射而言，增加产能的原因相信至少部分是由于非同调照射增加了电子剂量。

本发明之较佳实施例中将有详细的参照，并且也以附图加以阐明。在图示中相同或相似的部分尽可能地以相同的图号表示。

在本发明之一TEM实施例中，电子枪连同数个聚光镜及一物镜的前场(pre-field)使得试片上形成了一电子照射的照射区。于试片上的原子将入射电子散射，较重的原子将电子散射到较高角度。经过物镜及试片后，在物镜之后焦平面(back-focal plane)产生一绕射图案。

在一近似于圆柱对称系统中，暗视野模式可以是一个“环形暗视野”（annular-dark-field；ADF）模式。在这种情况下，一孔(aperture)包含于一中央电子束阻挡组件(central beam stop)中可安装在或接近后焦平面（或对它平面共轭(conjugate)）。中央电子束阻挡组件可以是一个圆盘状。该电子束阻挡组件将电子数的散射角限制在一角范围之内(以

表示)，以表示介于内角和外角之间的环状区域。这些角度可以是:例如，在一簇原子团成像时，内角

之范围为大约从0.1毫弧度(mrad)到10mrad，外角

之范围大约从1mrad至约20mrad。又如，在一原子成像时，内角

之范围为大约从5mrad到20mrad，外角

之范围至少20mrad。举例来说，外角

合适的范围是从大约20到50mrad。因此，为单原子群成像时，散射角

合适的范围大约是15到50mrad。电子穿过这个环形孔(annular aperture)，被侦测器收集，最后产生一试片的影像。换言之，穿过环形孔的电子射线，将是从试片可采到成像资讯之源头。

ADF-TEM的主要对比机制在于质量-厚度对比(mass-thickness contrast)，此机制提供增强成像样本之原子序灵敏度。所收集的强度I大致遵循公式：

I/I₀=1-exp(-Nσρt)

其中N=N₀A是亚佛加厥(Avogadro)常数除以原子量A，σ是适当的局部单原子散射截面积，其与原子序数Z、入射能量及角范围相关;ρ为材料的密度，t为厚度。

所收集的强度I与厚度t成正比，如果厚度是定值，则试片的相对原子量就可鉴定。而暗视野穿透式电子显微镜对试片的化学性质敏感。然而，使用传统的电子光学透镜时，它的解晰度通常要被牺牲。因为在暗视野穿透式电子显微镜中，电子射线主要是从较高的角度收集到，这里的电子射线受到像差的影响更大，对比可能因去局部化(delocalized)而使分辨率降低。因此，在暗视野穿透式电子显微镜中，像差矫正可能特别必要。此外，因为含孔(aperture)的电子束阻挡组件(beam stop)就位于物镜之后焦平面拦截近光轴路径，所以应用电荷在光轴上以矫正球面像差来完成像差矫正，就是一种先天条件上就适合于暗视野TEM的技术。

本发明的ADF-TEM的像差矫正结构配置的较佳实施例描绘如下。该像差矫正的ADF-TEM有一电子光学圆柱套筒(electron optical column)，该圆柱套筒内包括一个电子源、数个聚光镜、一试片座、一个物镜和一个侦测器。在某些像差矫正的ADF-TEM实施例中，电子源可以是热电子式的，如钨（W）或lanthanum hexaboride（六硼化镧）所产生的电子源。这些电子源可提供相当大的电流，这可让每幅影像以更短的时间曝光，从而提高产能。这些例子中的电子源可能不像其它电子源同调。然而，在像差矫正ADF-TEM中，高度同调水平不一定需要。事实上，刻意地不同调照射，可能更有优势，以下将更详细描述。

电子源后可设置一些聚光透镜，以形成了入射试片的电子束。该些聚光透镜可能包括，例如，两个、三个或四个透镜。聚光透镜可以是磁性或静电式的。通过光学系统成像。光学系统而从试片散射出的电子，至少有两个功能可达成。首先，光学系统可阻挡组件中央散射束以达成环形暗视野(ADF)模式。其次，光学系统可矫正像差。这两个特点的组合特别有优势。

这些电磁透镜也可包括其它近轴矫正组件。此外，标准放大作用的透镜也可包含于像差矫正暗视野穿透式电子显微镜中。这些放大透镜之后为电子侦测器。对于本领域技术人员而言，电子侦测器可以是众多形式之一。

这种物镜和像差矫正系统结合可能是有优势的。物镜的结构类似于一个传统的电或磁透镜。由于是像差矫正系统的一部分，一个电荷感应组件(charge-inducing component)可至少部分地被安排于ADF-TEM圆筒柱（或一更传统的多极型像差矫正器）的光轴，该电荷感应组件沿着电子束的路径，置于物镜之前、中或后。

存在多种为像差矫正ADF-TEM在光轴上引入电荷的方式。例如，一个电荷感应组件(charge-inducing component)可以用金属构建并用于定义一等电位。在另一实施例中，电荷感应组件可由实质上的电阻材料所构成，例如一介于导体及非导体之间的材料。在另一个实施例中，电荷感应组件是一个绝缘体，借由电子束或其它方式来充电。电荷在光轴上的结构使得电场的形状可控制，以使得所有的光线从物体的一个点发出，并在经过该环形区域都聚焦到在成像平面的一个非常小的点。

相对于球面像差，ADF-TEM也包含一系统以矫正寄生像差(parasiticaberrations)，不管该寄生像差是不是圆柱对称。寄生像差产生的可能原因是:例如，光学组件被加工后，有轻微的偏轴(off-axis)或非圆(non-round)。

以下例子将描绘寄生像差的矫正。对于低阶像差，即上至第二阶像差，可通过适当可旋转多极或偶极线圈(rotatable multipole or dipole alignment coils)可直接矫正（如，矫正散光(astigmatism)之四极补偿器(quadrupole stigmator)及矫正三重散光(threefold astigmatism)之六极）。在一种新的减轻第三阶像差方法中，可在电子束进入像差矫正组件前，通过多极组件（四极或八极）先加以预形变，然后，进入像差矫正组件后，由同一个多极的组件将形变回复。这个过程可引起非圆三阶像差以矫正非圆寄生像差（在四极（C32）的例子是二重对称而在八极（C34）的例子是四重对称。

第五阶寄生像差可被矫正组件的偏移投影(misprojection)至一不同于物镜之后焦平面的光学平面所补偿。这将使波前于插入像差及像差矫正之间传播。此传播导致一更高阶组合像差，其符号取决于该偏移投影的符号。

这种额外的寄生像差矫正系统，在很多像差矫正ADF-TEM的实施例中是有利的，特别是在许多商业应用，因为寄生像差已对像差矫正系统的有效发展产生严重限制达40年之久。矫正这些寄生像差的能力，将是本发明像差矫正ADF-TEM的一个特征。

电荷在光轴上的实施，可使暗视野TEM得以缩小化，此为众多优点之一。在一些应用中，小型化的优点不一定需要，其它因素或许更优先或重要。因此，除电荷在光轴上像差矫正外，本发明还提供其它像差矫正装置。

在一个不同于ADF-TEM的例子中，一个标准的像差矫正可能包括Nion公司的四极-八极矫正器或CEOS公司的六极-八极矫正器。一个环形孔可提供于试片之入射朿前（如一个ADF-TEM的STEM模式），或在散射束之出光后（如一个ADF-TEM模式）。

像差矫正暗视野TEM可另包含一机制以诊断像差。传统像差诊断的方法通常是假定亮视野成像有效下。一种为暗视野TEM的新方法是去获取倾斜照射(illumination tilt)和离焦(defocus)的函数之影像，然后萃取照射倾斜和离焦的模糊效果(blurring effect)。对于各种角度下离焦和散光，该模糊效果给出一数值。对于成像系统，这个过程可提供足够的数据以数值计算一像差函数。用于上述目的试片可能是试片上包含单原子群或原子团，也可能是以诊断出像差为目的一种试片。例如，只是以研究为目的的一样本。再或者，可能仅以校正像差矫正TEM为目的的一试片。

图1A是一个像差矫正ADF-TEM圆柱套筒10或称柱(column)10的一个较佳实施例示意图。圆柱套筒10有一个电子源20，一个或多个聚光镜30，试片40，物镜50，环形孔60，一个或多个投影镜70及侦测器80。一个电荷在光轴上像差矫正器90并入物镜50内。成像平面100如图所示。电子源20和聚光镜30被配置以提供各种照射条件。例如，电子源20和/或聚光镜30配置以提供高电流，非同调照射模式以达到具有唯一协同像差矫正与圆柱套筒10的环形暗视野特性。

像差矫正ADF圆柱套筒10连接到一电源，该电源提供电源给圆柱套筒10内的组件，如，电子源20，聚光镜30，50和70，像差矫正器90，侦测器80，以及可承载及移动试片40的试片座。圆柱套筒10总功耗约小于800瓦。在一低功耗的实施例中，如其中圆柱套筒10是小型的，圆柱套筒10甚至可能有功耗小于300瓦的，例如从10瓦至100瓦特。电子源20可调到产生一个小于100毫安电流的电子束。在一个特别低电流样式中，电子源20甚至可调到产生小于10μA电流的电子束，例如小于10pA。

在图1A的像差矫正ADF-TEM圆柱套筒10中，像差矫正物镜50是以内部电荷在光轴上矫正器90矫正像差。换句话说，像差矫正执行于物镜模组内。将电荷在光轴上矫正器90置于物镜50内有利于减少电子显微镜圆柱套筒(EM column)的大小，否则，额外的矫正组件可使它不必要的大才做得出来。环形孔60可插于物镜50内或接近于物镜50之后焦平面。环形孔60也可安置于与物镜50之后焦平面共轭之任一平面。

图1B是图1A较佳实施例变化型的示意图，将电荷在光轴上矫正器90置于物镜50外。此配置可使用市面有售的零件制成。

图2A是一个物镜50的一个较佳实施例示意图，像差矫正ADF-TEM之物镜50内具有电荷在光轴上的矫正器90，图中显示电子射线路径110、120。平行入射光线是用以描绘像差矫正的效果，虽然透镜通常不会操作在平行入射光线。事实上，物镜50是用于将试片照射区影像放大。图上也显示光轴130，中央射线110，周边射线120，已矫正中央射线140，已矫正高斯焦平面(correctedGaussian focal plane)150及未矫正高斯焦平面(uncorrected Gaussian focalplane)160。物镜50的透镜组件170以示意图示表示它是极片(pole-pieces)及磁透镜线圈(coils of a magnetic lens)或静电透镜电极(the electrodes of anelectro static lens)。

电荷在光轴上像差矫正器90A被设置在沿光轴130上。在一个实施例中，物镜50被设置以围住电荷在光轴上像差矫正器90A，以使得电荷在光轴上像差矫正器90A是设置于透镜组件170之间。像差矫正器90A提供了一个改良的电位分布，该电位分布导致电子路径更接近电子束的中心，即中央射线110，待和周边射线120聚焦于同一点。而周边射线120为远离射线束之中心。

在众多可能的型式中，电荷在光轴上像差矫正器90A可以是一个金属圆柱体，连接到一电源。与该电荷在光轴上像差矫正器90A相关联的，可能会是额外的电极，以建立预定的静电场。这样的额外电极及电荷在光轴上像差矫正器90A的组合被称作金属箔透镜(foil lens)。当像差矫正器90A不存在，物镜50之球面像差使得接近中心之电子束，即中央射线110较不强烈地聚焦于第二高斯焦平面160，而光线远离中心的电子束，即周边射线120，则是以较短距离聚焦于第一高斯焦平面150。

电荷在光轴上像差矫正器90A的应用提供了一个侧向力施加于穿过的电子束射线，而使射线偏转。与远离光轴130射线相比，这种力量对通过接近中心的光线光束的影响更强，更能够使其聚焦色接近焦平面。物镜50结合电荷在光轴上像差矫正器90A将使周边射线120和中央射线110聚焦到一个共同点，例如到第一高斯焦平面150，球面像差的影响就减轻或消失。

图2B为图2A像差矫正ADF-TEM一个较佳实施例变化之示意图。在这种情况下，像差矫正器90A放在物镜50外面。通过这种方式，像差矫正器90A不与透镜组件170的电磁场相互作用。这种像差矫正器90A预先矫正中央射线110，如图上方所示。这样，中央射线110最终将和周边射线120聚焦到同一个点。

在图2B中，像差矫正器90A的特定的配置，可让周边射线120大约聚焦到其原始的焦点，虽然这不是必须的。图2A和2B所示之配置影响周边射线120以及中央射线110，但却以适当的比例，使他们聚焦到高斯焦平面150上同一个点。像差矫正器90A的方向和位置，影响了中央射线110和周边射线120。进而在正确的比值下将使得所有的光线聚焦在高斯焦平面150的一个点。矫正的高斯焦平面150可以占据透镜后的任何位置。

图2C为图2A像差矫正ADF-TEM一较佳实施例基本型变化的示意图，其中电荷在光轴上像差矫正器90A在垂直于光轴130的维度上延伸，以带有金属箔的组件型态呈现，如，一导电栅(conductive grid)。此种物镜50和电荷在光轴上像差矫正器90A之配置，可有和图2A和2B的像差矫正器90A大致相同的效果。不过，如图2C所示的电荷在光轴上的像差矫正器90A，比起图2A和2B的分离式像差矫正器90A，在受支撑结构上更容易。金属箔型像差矫正90A够薄以致对电荷粒子而言是透明的。反之，网栅可能需要足够薄以使得在每个洞内的等电位的失真不至于对分辨率造成伤害。相对于一般高度周期性物体的成像而言，金属箔的形式，对点状物的成像较有利。

用于生产金属箔形式的像差矫正器90A的金属，可做到足够薄以符合此应用。在原则上，任何金属箔基本上对于像差矫正ADF-TEM圆柱套筒都是有作用的，虽然，不会强烈散射电子及可加工成够薄仍有自我支撑能力的箔更佳。一个典型的金属箔厚度之范围由约1nm到10nm，例如，约2nm到6nm。基于这一理由，各式的金属箔像差矫正器90A都可列入考虑。对于某些特殊应用的预期需要，可选择其中最适合的一种形式来用于暗视野TEM。

事实上任何金属箔以及合金都可选择，例如金，银，铂，钛，铜和铁。金属箔具有较高的拉伸强度可采用，以便于制造及处理起来比较稳固。在某些情况下，根据所要应用的及预算限制，较不贵的金属箔也可。易于处理和抗材料疲劳材料特性也可列入考虑以限制生产成本。若金属箔太薄了也可用一个金属网格作为支架来支撑。而ADF-TEM成像模式，可允许使用靠近光轴地区，用于提供坚实的支撑，而对ADF-TEM影像没有不良影响。

图2D为图2C像差矫正器90A的金属箔或金属网格的一个较佳实施例变化型示意图。但是，在这种金属箔型式下，像差矫正器90A的形状被改变，以匹配所要的波前，以提供预定的像差矫正。其次，暗视野成像模式可允许金属箔的中心被支撑。因此，比起如果整个角度范围都需要尽可能透明而言，几何的控制会是比较易预测。

通过选择金属箔材料，结果能够进一步改进。例如，形状保持金属(shape-retaining metal)或可改造形状记忆金属(transforming metal with shapememory)都可使用。在这种方式下，像差矫正ADF-TEM，可多次使用。温度的改变，可使得金属箔像差矫正器90A的形状改变，以符合一个特定的应用。因此，如图2C和2D所示的像差矫正ADF-TEM的配置可在一个像差矫正器90A替换另一个像差矫正器90A之间切换，无需手动。

如图2D所示，有一球面像差待矫正。它是图2C的变化型，就如同图2B中，该像差矫正器90A置于物镜50之外。图2E为图2C像差矫正ADF-TEM实施例之较佳实施例的变化形。在该实施例中，像差矫正器90A平板金属箔置于物镜50外面。图2F为图2D像差矫正ADF-TEM实施例之较佳实施例的变化形。在该实施例中，弯曲或塑形的像差矫正器90A的金属箔设置于物镜50外。

金属箔形式的像差矫正器90A，可包括一金属箔横过电子束路径而一孔则在一不同的平面，金属箔和孔的调整用各自独立的电位。图2G和2H分别展示一金属箔矫正器的顶部和侧面图之较佳实施例示意图。该金属箔矫正器包括金属层171和173，绝缘层172和一可让电子透过(electron-transparent)的薄导电金属箔174。孔175也如图所示。金属层171和173由金属制成，例如铜等。绝缘层172厚度可以是厚石英片。例如，绝缘层172厚度大约是50微米厚。在制造过程中，绝缘层172可以标准微影技术制备，以留下两个对准孔，一个在石英片两面的其中一面。金属层171和173再沉积在绝缘层172上。一碳薄膜然后再沉积在金属层173上及和绝缘层172的曝露面。一蒸汽酸蚀（如氢氟酸）则经由孔移除一部份的绝缘层172。这蚀刻留下一个自由-支撑(free-standing)且非常薄的碳，因此，符合被电子穿透的准则以及由低原子序元素组成，因此，是理想的箔174。

金属层171和173及箔174有直径约1μm～100μm的开口。绝缘层172可同时有一个直径约1μm～600μm的开口。箔174支撑一孔175于其中，箔174厚度可从约5nm到1000nm。另外，箔174可薄如单层的合适材料，如石墨。在后一种情况下，绝缘层厚度172的厚度可从约1μm～1000μm左右，而金属层171和172的厚度可从约1nm到1000μm。

图2B到2H的每个结构理想地将电子束射线从试片上的一个点上发出，而被物镜50聚焦于试片下方的成像平面160。

图3A为像差矫正ADF-TEM之电荷在光轴上像差矫正器90A之一组件180的一个简化立体示意图。在这个实施例中，电荷区是连续的排列在一极片内。组件180的材料可限制于机械强度够大，并且在电子照射下有一传导表面（或接近表面层），并可加工成所要的几何形状。符合的材料包括金属如铂，钛，钼，金，另外包括半导体如掺杂硅和砷化镓。它也包括绝缘体复合结构，如，氮化硅的表面涂有一层薄薄的金属。

组件180的大小范围从直径1nm到约10cm，整体深度范围从10微米到几厘米。组件180的表面电导性以组件180连接到显微镜接地时组件180的阻值不致造成影像随时间变化就够了。

图3A、3Ai、3B、3Bi和3Bii图示简化立体示意图，以描绘可以用各种方式来达到一些电极配置在一起以形成电荷在光轴上像差矫正器90的组件180。这些电荷在光轴上组件180架构可达到，电子穿越真空中有不同的电场分布。在这些图中，实施例中的组件180也许需要机械性支撑，如图3C所示。图示中所有的几何形状可选择性地使用薄电阻箔加强（例如几个纳米厚的非晶态碳）在一个垂直于光轴的平面而加大，且该几何形状被电荷在光轴上组件180机械性支撑，以进一步限制等电位的形状，从而更准确地达成所预期的粒子运动轨迹。在一实施例中，电荷在光轴上像差矫正器90A是由总共1到20个不同的零件所组成。在另一实施例中，电荷在光轴上像差矫正器90A是由一总共2至3个不同零件所组成。

图3Ai描绘图3A之像差矫正ADF-TEM之一变化形，其中组件180仍然是一个圆柱体，是由多个电荷区以同心圆形式组成。在这个例子中，三个电荷区域190被两绝缘体200所隔开。不同的电荷值设置在不同电荷区域190。

图3B描绘图3A之像差矫正ADF-TEM之一变化形，其中一整块电荷在光轴上组件180仍为圆柱对称型，但有一塑形轮廓，在本例中是直线。

图3Bi描绘图3B的电荷在光轴上组件180之一变化形，具有图3Ai之多个电荷区域的特征。它的外形为三个巢状圆锥体，且尺寸随不同的电压而递减。

图3Bii描绘图3Bi的电荷在光轴上组件180之一变化形，在此例子中，电荷在光轴上组件180有一曲线而非直线的侧边。同样，电荷在光轴上组件180为同轴型，拥有多个电荷导体190而以绝缘体200隔开。

图3C描绘电荷在光轴上组件180之又一变化形，此次电荷分布在由网状的轮辐支撑220支撑的同心圆环210上，同心圆环210由光轴径向伸展出去，且每个环有不同的电位值，因此产生相对光轴的电荷分布，一个或多个轮辐支撑220可用于传送电荷到各个独立的环210上。

轮辐支撑220可由导体建构，例如金属或绝缘体。对金属材质，整条轮辐支撑220上的电位为单一值。如果轮辐支撑220是由一绝缘体所构成，该支撑220会充电上来。在一较佳实施例中，轮辐支撑220是绝缘体覆盖另一层导体材料，该导体材料使得一电流随电位梯度往下流，以建立预定的等电位形状。

这些架构提供电荷在光轴上其它的可能性架构。另一种引入电荷在光轴上的方法为静电镜。然而，使用这种系统，电子可能会在被电场减速而最后停滞不前，结果，电子会对杂散电场非常敏感。

一倾斜的静电镜可能是另一种提供电荷在光轴上像差矫正器的方法。

图3C描绘几个同心圆电极以光轴为中心，这种结构可能类似一带状块板(zone plate)。在这种情况下，分段而不是完全像差矫正可被执行，因此只有大角度的射线被矫正。在这种情况下，许多的电极之间隔以间隙(gaps)。在每个间隙中，对于穿过该间隙的电子，区域电场提供像差矫正的功能。其结果为，至少一大部分穿过该间隙的电子将正面贡献影像强度。

图3Ci描绘一像差矫正ADF-TEM实施例，面对电子对杂散电场敏感的挑战，一个解决方案的实施例例子为提供一轮辐支撑220所支撑的一中央电荷在光轴上组件225，该轮辐支撑220可导电，且表面有一层覆盖层230。覆盖层230由电阻所制成，该电阻值有一特别的梯度或随厚度变化，因此，电位的降低是中央电荷在光轴上组件225的径向距离函数之函数式的矫正方式，达成预定的电位分布，如图中的等电位线255所示。另外，覆盖层230可由导体来实现类似的效果。

在很多实施例中，像差矫正ADF-TEM的轮辐支撑220是相当复杂的，例如，如图3Ci的轮辐支撑220截面图，轮辐支撑220可包含一导体240在中间，一绝缘体250包覆导体240，一导电覆盖层230在最外面。这种组合的优点是有利于提供一正确电场分布。

此种像差矫正ADF-TEM的矫正方法可同时用于矫正寄生像差。例如，存在一种像差称为C32像差，该像差缺少球面像差的柱状对称。为了参照，一纯粹球面像差，例如C30像差为圆柱对称的。然而C32像差，描述另一种双重对称球状像差(在C30的情况)。要矫正此称为C32的寄生像差，一个称为四极的多极镜可安装在像差矫正器90A之前。一另外的四极镜可安装在像差矫正器90A之后。

C32矫正架构是预先偏折电子束。在这情况下，电子束穿过该矫正镜，主要的偏折在通过该镜之后消除，留下一个近似椭圆的球面像差。本系统提供C32矫正及一圆电子束。

为了更正C34像差，或四重散光，八极透镜可采用同样的方式。也就是设置于像差矫正器90A的一前一后。例如，图2A显示球面像差矫正器90A在透镜组件170间。对于八极镜有很多种可能的配置。例如，八极镜可设置在透镜组件170之前，透镜组件170之间，或透镜组件170之后。类似于图2A及2B之电荷在光轴上组件90A，该矫正器可高于或低于透镜组件170。

图4A为像差矫正ADF-TEM圆柱套筒内、矫正寄生像差的实施例示意图。除了上述基本像差矫正器90A，另外的多极寄生像差矫正组件260可放在透镜组件170之前及之后。该配置用于矫正寄生像差。

在很多像差矫正ADF-TEM系统中，额外的像差矫正组件260是非常重要的，尤其在很多商业应用上。这些寄生像差使像差矫正倒退近40年，因此寄生像差矫正的能力，对于现在的像差矫正ADF-TEM是一个很重要的进步。上述方法提供了矫正第三阶像差的例子。剩下的离轴像差(off-axial aberration)，也就是慧星像差(coma)，可直接以电子束相对于透镜的偶极偏移(dipole shift)就可消除。

图4B为一像差矫正ADF-TEM圆柱套筒内、矫正第五阶寄生像差的较佳实施例示意图。在第五阶矫正的配置中，额外的投影镜270置于近轴矫正器90A和透镜组件170之间。

投影镜还可用于另外的方法。在一负第三阶作用及一正三阶作用(function)的情况下，这些作用可大幅度相互抵销。然而，如果存在一负第三阶成分，并且允许传播一段距离，然后削去，结果是主要的第三阶分量削除了，而第五阶分量出现。通过求得距离符号，第五阶像差可被控制。

图5示意图描绘第三阶矫正的偏差投影如何提供一第五阶补偿。当波前280和290有相反符号的第三阶形状，当两者叠加在同一平面，它们互相抵销且产生一平的波前300。然而当一波前具有正第三阶曲率310被允许传播而超过了一漂移距离(drift distance)d，然后，以一负第三阶曲率波前320型塑，叠加的波前为一残余第五阶330。同样地，当一个负第三阶曲率的波前340和一正第三阶曲率的波前350距离一漂移距离d，当负第三阶曲率的波前340允许传播一漂移距离d，一正残余第五阶波前360会产生。

图6示意图描绘一像差矫正ADF-TEM圆柱套筒实施例，它能提供像差诊断机制。在试片40之前有一倾斜照射(Illumination tilt)370，例如，该电子束可被两对适当设置且活跃的双极偏转器(dipole deflectors)(磁性的或静电的)(未显示)所倾斜。一相片可在ADF-TEM的模式下对于每个不同的倾斜以对焦(infocus)、负离焦(under-focus)、正离焦(over-focus)下获得。这种方法提供了相对不模糊，以及两个已知模糊度的照片。随后，该模糊函数(blurring function)可去除旋积(deconvolved out)。这些量测在每一不同的倾斜角，提供局部离焦及散光。从这些数据，像差函数可被推导出来。

上文所述各种方法提供了主要球面像差的矫正，该像差为第三阶，以及寄生像差及第五阶像差的控制。整体而言，通过提供量测像差之方法及矫正像差的设备，这些创新的像差矫正方法提供一个精细对焦ADF-TEM影像。

上述电子显微镜中的配置也可运用在扫描穿透式电子显微镜STEM的配置中，以达到类似的影像结果。图7示意图描绘一STEM型式的像差矫正ADF-TEM的较佳实施例，其中该实施例可由商用零件所组合而成。根据倒晶格原理(the principle of reciprocity)，该STEM模式，像素对像素光学等效像差矫正ADF-TEM 10如图1A所示。在ADF-TEM模式之下，电子源400类比于图1A中的TEM侦测器80，同样地，侦测器430类比于图1A的TEM源20(TEMsource)。电子束从电子源400上行，首先穿过一些聚光境30，然后是环形孔60、矫正器(未图示)及物镜50。物镜50形成一直准中空圆锥形探针(collimatedhollow conical probe)于试片410上。从试片410散射出的电子形成一绕射图案，该绕射图案由一投射系统70所收集，该投射系统将该绕射图案放大并投射在侦测器430上。侦测器430包含一组同心环以及一中央侦测器，该中央侦测器将不同散射角的射线收集起来以提供一定强度的讯号。扫描线圈420由斜坡波形(ramp waveforms)所激化，使得直准探针横扫过试片，对于探针对应于试片的每一位置，该侦测器产生一强度讯号，去扫描线圈(Descan coils)380将一对称于扫描线圈的电子束去扫描，用以将绕射图案还原至光学路径(optical path)以防止失真。在这种情况下，一个大的轴侦测器(on-axis detector)提供非同调(incoherence)(如果有任何亮视野电子被侦测，该侦测器为亮视野侦测器)。虽然它在收集成像上比较慢，该STEM模式有其它优点，例如赋予同时STEMADF-TEM成为可能，即一种环状亮视野(annular bright field)及有中空圆锥体照射(hollow cone illumination)之高角度环状暗视野。一高亮度电子枪可使得此模式运作得更快。

此处描述的暗视野像差矫正TEM的特征也可运用于不同种类的显微镜，例如可使用带电离子或其它粒子束。此外，像差矫正暗视野TEM可使用于任何适合的设备以任何需要的安排下，例如在网路上，直接或间接通信的安排上。

此外，该相差矫正暗视野TEM系统也可包含任何数量的组件，如显微镜、机械管理者(machine managers)、电脑系统、网路及影像储存，这可能以任何合适的方式互相沟通或耦合，例如有线或无线、通过网路，如广域网(WAN)、区域网(LAN)或互联网(internet)，直接或间接耦合，局部性或从远端控制，通过任何通信媒体，及运用任何适当的通信协定或标准。

此处描绘的像差矫正暗视野TEM之实施例，可使用静电或磁性组件。例如，对于一个商业化设置，一相当小的静电版本的像差矫正暗视野TEM可被建构出来。该像差矫正暗视野系统可包含任何数量的静电或磁性组件，例如电子或其它粒子枪，镜片，色散组件(dispersion device)、散光像差补偿线圈)、反射及放电侦测单元及座(stages)，以任何形式安排于像差矫正TEM的内部或外部。像差矫正TEM使用之影像储存、档案及档案夹可以是任何数量，采取任何储存设备，例如记忆体、资料库或资料结构。

像差矫正暗视野TEM可包括一个控制器。该控制器可包括一个或多个微处理器，控制器、处理系统及/或电路，例如硬件及/或软件模组的任意组合。例如，该控制器可以是个人电脑，如IBM兼容、苹果、麦金塔、机器人(Android)、或其它电脑平台。控制器也可包含任何市售操作系统软体，例如视窗系统、OS/2、Unix、或Linux或任何市售及/或客制化软件如通讯软件或显微镜监控软件。此外，该处理器可包含任何形式的输入组件，如触控板、键盘、鼠标、麦克风或语音识别。

控制器的软件，例如监控模组，可储存在电脑可读取之媒体，如磁性、光、磁光或闪存媒体，软碟、CD-ROM、DVD或其它记忆组件，使用在独立的系统或系统通过网路或其它通讯媒体连接，和/或可下载到系统经由一网路或通信媒体，以载波形式或封包形式处理。

该控制器可用以控制或操作像差矫正暗视野TEM柱。除此之外，控制器可从TEM的侦测器接收一待处理的影像，然后加以计算处理。例如，控制器可收集到的粒子资料(particle data)及/或处理任何所要处理的影像。因此，处理器可包含一影像形成单元(image formation unit)。该影像形成单元可配置在像差矫正TEM圆柱套筒之内或外面，与显微镜柱以任何形式沟通，例如直接或间接耦合或经由一网路进行通信。

此外，像差矫正暗视野TEM的不同功能，可以任何形式发布于一个或多个硬件和/或软件模组或单位，电脑或操作系统或电路，电脑或操作系统设置为区域型的或彼此远端型的，以及该通讯为经由任何适合的通讯媒体并不限制，例如区域网(LAN)、广域网(WAN)、局域网(Intranet)、互联网(Internet)、硬件、数据机连接或无线。上述软件及/或算法可以任何方式修改，以完成本发明所述功能。

像差矫正暗视野TEM可使用一试片样本之一或多个影像，以求出最佳射线参数设定及/或影像品质值。影像可涵盖任何特别参数的任意变化范围。试片样品不限数量、形状或大小，包含所预定的特征。例如，样本可包括一依据应用的特别配置或设定参数。样本可设置在试片座(stage)一预定位置或不在试片座(off the stage)上以获得影像。在一个例子中，该样本是一半导体组件。

像差矫正暗视野TEM也可使用任何数量的影像，以进行影像品质比较。亦即，包括将目前影像品质与先前的影像品质以任何适合的方式结合，例如平均、加权或加总。使用者可根据预定的影像品质，设置适当的阈值。影像品质的比较，可使用任何数学或统计上的操作以决定影像品质合格与否，例如一个比较、统计方差(variance)或偏差(deviation)。

像差矫正暗视野TEM可分析任何合适的特性，例如强度、像素数或功率，并于所预定分析区域的设定之间利用任何有差异特性。分开的区域可以是任何形状或大小并且设置于任何预定的范围。像差矫正暗视野TEM也可使用任何适合的模型或近似技术，以决定最适合的线及/或曲线，例如线性或非线性回归，曲线配适(curve fitting)，最小二平方或积分。在任何可容忍误差内，该模型可模拟这些数据。像差矫正暗视野TEM也可识别任何数量的分开的区域，及使用任何适合的技术以结合和/或选择计算所得结果的斜率值(resulting slopevalues)，例如最低斜率、平均、加权或总合。

参数可以以任何适合的方式决定。例如，机械的管理者(machine manager)可监测显微镜以初始化这些参数，电脑系统或控制器可周期性地接收样本的影像根据样本影像的定期询问或问问照片店以判断样品影像，或手动决定参数。品质检验及/或参数决定，可根据任何适当的状况初始化(例如，在任何预定的时间区间之内，例如几个小时或分钟之内)，随后任何数量的该显微镜产生的影像，例如每第N个显微镜扫描之后就进行一定数量之品质检查。

当参数已定并已应用于显微镜时，像差矫正暗视野TEM技术可自动执行。在另一实施例中，技术的任何部分可手动进行，例如扫描影像、决定参数或应用该参数。例如，电脑系统可提供最佳设定给技术人员，技术人员就可手动将参数设定于显微镜。显微镜的控制器可执行任何需要的程序，例如监测及参数调整或影像形成及处理。

像差矫正暗视野TEM，例如影像处理或像差矫正的实施，可分布于电脑系统、微处理器、或其它处理组件，以任何预定的方式处理。其中这些组件可以是局域的或是彼此远程地联系。该电脑系统及微处理器与该显微镜互相通讯，及/或控制显微镜，以执行任何所需功能，例如扫描一试片及产生该影像或将该影像传递到一存储器中。

图8A、8B、及8C描绘一像差矫正ADF-TEM经电脑模拟的结果，展示一实施例的效率。该模拟结果显示一电荷在光轴上组件矫正器原型机(prototype)的初步性能结果。图8A展示两个相距1nm的点，从成像平面431投射出来，穿过单电位透镜(unipotential lens)432并显示了球面像差。单电位镜432将该两点出发的射线聚焦于一电子束交叉区域436，该交叉区域在光路径的远处。像差矫正器433包含两个电荷组件434支撑了在其上的一薄箔435。通过薄箔435的射线根据其角度而分叉开，矫正球面像差为单电位透镜432固有的能力。图8B显示电子束交叉区域436放大150倍，及图8C显示电子束交叉区域436放大22,500倍，显示高度局部化的两个交叉点，该两点距离d=14nm，对应于矫正镜之放大倍率为14倍。该模拟结果显示置于物镜内之一电荷在光轴上像差矫正器呈现高度收敛性。

该电脑模拟也描绘一新型双面箔但非对称的矫正器实施例。该双面矫正器，可允许使用比单面箔矫正器更小的电位而达到预定量的矫正。而且，该矫正器的不对称性以类似于图5所示的机制，允许某些，甚至完全地消除了第五阶像差。

像差矫正暗视野TEM可实现高产能、原子分辨率级的电子显微镜在一相当小型化。尤其是使得像差矫正暗视野TEM圆柱套筒变小以及使用静电组件，这有许多的优点。例如，这样的电子显微镜圆柱套筒因为零件相对地小，制造比较便宜。所述零件可以包括铂制成的导电电极，或其它的金属如铂或金涂层的铝钼、钛或不锈钢。虽然铂具有优势，但用其它金属来制造会较便宜。

相对于传统电子显微镜系统，像差矫正暗视野TEM在大小、速度及灵敏度上具有优势。因为这些优势，研究部门和商业部门可应用在新产品和新应用上。例如，如下详细描述，像差矫正暗视野TEM可进行实际且高产能的DNA排序。另外，也如下详细描述，可提供很小的电子显微镜，此外，上述的像差矫正建立了一个有应用前景的基础。

像差矫正暗视野TEM的一个具有优势的商业实施例，为一小且相对不贵的显微镜圆柱套筒，例如，该显微镜套筒的尺寸，从大约2米×1.5米×1.5米到大约10公分×5公分×5公分，或体积相当的套筒。在甚至更小的版本中，该显微镜柱的尺寸，从大约75公分×50公分×50公分到大约10公分×5公分×5公分，或体积相当的套筒。此小型化及低价化的组合，为全新且消费者为取向的应用，打开了一个机会。

用这种消费产品的方法来开发电子显微镜，除了成本及尺寸的优势之外，将光学系统缩小是另一优点。在光学系统中，光学特性与尺寸是相关的，当像差矫正暗视野TEM的尺寸越小，像差越小。因此，当像差矫正暗视野TEM柱的尺寸变小，它的分辨率也可以达到操作能量下电子的绕射极限而获得改善。例如，该显微镜可达到的空间分辨率，从10纳米到大约0.01纳米。一个较佳实施例的空间分辨率可从1纳米到0.1纳米。

像差矫正暗视野TEM的一个特别有用的应用为分析DNA样本，以决定它的碱基对序列。在一实施例中，单链DNA被拉长，该技术已经描述于PCT公开号No.WO 2009/046445，日期为2009年9月4日，发明题目为“以电子显微镜为核酸聚合物定序(Sequencing Nucleic Acid Polymers with ElectronMicroscopy)”的申请中，并于2008年6月10日提交为国际申请号No.PCT/US2008/078986(该PCT公开号，在此一并提供参考。一组特殊的碱基被以一标签标记，该标签至少包含一重的散射体(heavy scatterer)，例如一单一重原子或原子簇。该标签包括锇(osmium)、三锇(triosmium)及铂(platinum)。

以这种方式标记于一个DNA样本中，该标签，例如一单原子群或小的原子簇，将电子强烈地散射于一个包含低散射元素的环境中，例如，碳，氢以及氧，与一些其它低散射元素，如少量的磷，少量的氮和少量的其它较轻的元素。因此当强烈散射元素以像差矫正暗视野TEM量测时，该背景提供一个很好的对比相对于该标签而言。

以这种方式，暗视野模式及像差矫正的结合实现了高对比成像，该高对比使得碱基间的待评估距离变快。像差矫正及暗视野TEM提供足够的分辨率，可看到单原子群或原子簇，亦即给出了所要的分辨率及信号/杂讯比。暗视野模式可区分散射角较高的重元素及散射角较低的轻元素。

在一实施例中，像差矫正暗视野TEM操作在一非同调模式。在此模式中，像差矫正暗视野TEM之照射同调性大幅减低或整个消除。非同调照射意味着不同组的电子照射到试片是彼此不同调的。在一个实施例中，该暗视野TEM，以显者非同调电子源所建构的。例如，该电子束源可产生能量分布小于一电子伏特(1eV)的电子束。而且，该暗视野TEM可在不同的时间产生电子束。例如，暗视野TEM电子束或扫描电子束随着时间平移。在另一例子中，该暗视野TEM随着时间的平移，以不同的预定能量范围内产生电子束。

通过使用非同调照射，更多的电流可潜在性地导到试片上，同时增进单一重原子群或原子簇和试片基体上相对轻原子之对比。将同调电子改成非同调通常可达成更高的电流量。对比的改善源自于一个事实，即重原子之对比并不来源于同调电子的干涉，然而试片上的光斑对比(speckle contrast)的细节却是。每个电子波会在重原子的位置对影像的强度作出贡献，然而光班对比会因而平均掉。这种改进可特别地适合于一需要高产能及较廉价的电子源。也即，该非同调照射模式实现更高的产能、更廉价的电子源以及更好的对比。

非同调提供了一个对比机制，允许对所得的影像直接解释。在非同调照射的情况下通过叠加的机制，像对比减弱而振幅对比增加：影像的随机性特征使得像对比呈现破坏性干涉，而点状物体的散射呈现建设性干涉。总体而言，点状物体的散射资讯被维持下来，而从非晶形基板来的像对比被刻意地消去。

虽然非同调暗视野TEM可以特别的零件重新建造，但是，修改现有的传统电子显微镜也是可行的。例如，修改可允许现有电子显微镜设备的电流设备升级，以取得非同调暗视野TEM的优点，而不用为重新建造一整个新的电子显微镜而付出代价。修改可包括新组件的翻新，现有零件的重新对准或定位，例如在电子显微镜套筒上层的零件。

图9图示了一使用非同调电子源20A的非同调模式较佳实施例。许多不同的电子射线440彼此非同调地充满在一圆锥体中从电子源20A所射出，被称为彼此不同调的光线锥。每一个不同调的射线440是由对其它射线而言是彼此不同调的成分所组成。自我抵销的相对比杂讯及自我加强的振幅信号加总，同时发生于成像平面100，所以一个有用的影像可立即产生。一个电子源20A可以是：例如，钨或六硼化镧的灯丝。非同调电子源20A可结合两个或更多的聚光镜450在不同的架构下激励，以允许于同调照射模式下进行对准(alignment)，然后在非同调照射模式下进行拍照。

另外，非同调照射模式可在暗视野TEM下不用非同调电子源进行。例如，该非同调模式下，可以由一电子束所产生，其中该电子束在不同时间产生，因此是彼此不同调的。这特别适用于传统电子显微镜的原始设计是为同调模式下操作而设计时，将它修改成实施例中所述的非同调模式。

在影像的曝光期间，该电子束源无论是角度、位置、或是能量都可改变。这些改变可以曝光时间的尺度进行。在一个描绘的例子中，如果该影像曝光时间为一秒钟，该能量、位置及角度都可变化，例如，以10倍的曝光时间进行。使用非同调照射比起同调照射，通常可在试片上施加更高的电流，因此成像会更快。典型地，该曝光时间不是1秒，而是微秒或毫秒等级。特别在DNA排序应用上(或在低密度背景中，辨识单一重原子群或原子簇)，非同调照射模式的优点可能是成像速度的增加，其原因在于照射在试片的电流增加。

无论是摇摆(rocking)或扫描电子束都是可行的，只要摇摆或扫描够快。此外，该电子束的摇摆或扫描角度，只要在物镜的孔径范围之内即可。该角度为一限制因素，因为超出这个角度，该电流就会射在孔径外因此不会被侦测到。然而，摇摆或扫描稍微超出该物镜孔镜所收集的角度是符合期望的，因为超出该角度是绝对不会被孔径所收集到的。然而超出该角度两倍以上并不被期待，因为会浪费电流。

一个被设计成操作在同调照射的传统电子显微镜，可被修改成一个在此所述的实施例。该电子显微镜系统可包含一聚光镜的最佳化系统，例如五个到两个聚光镜。该电子显微镜的电子源可用一非同调电子源取代，例如本发明所述的非同调电子源之一。而且，为了横向移动或有角度地摇摆该电子束，可加入偏转器或其它机械装置，或/及一机械装置可加入以改变该电子束之加速电压。像差矫正照射系统可从JOEL、FEI及Zeiss买到的(如Zeiss的柯勒照射系统)。电子束穿过一个或多个照射系统镜片，该电子束的轨迹可能会被改变。

物镜可接受的角度可根据预定的显微镜分辨率而定。例如，一埃的分辨率在100千伏是需要的，需要将近20毫弧度可接受半角(acceptance half-angle)，因此更好地不要超过40毫弧度的照射半角。如果是更大的角度范围，电流将可能不必要地浪费。在一例子中，单原子分辨率-也就是至少到0.3纳米，在某些情况下例如对于DNA的排序应用，分辨率至少到0.15纳米。一旦选定了适合的加速电压，分辨率的要求会取决于物镜可接受角度。

一个传统的电子显微镜系统，其中该照射轨迹已经被修改以达到相当程度的非同调照射，可通过增加侦测器或试片座(stage)的速度，以更进一步地利用非同调照射的高电流来改善。例如，一压电(piezoelectric)试片座可使用。该压电试片座可快速移动，并能稳定快速地就位，因此微秒或毫秒等级的短曝光时间可实际地完成。该压电试片座也可以适合于高精准度定位移动该试片座。此外，该侦测器产生资料量可能相当大，因此，需要一高速照相机，还有能够处理该相机之资料输出的电子组件是必要的。

一些实现非同调照射模式的方法包括采取影像的一些成分，其中该成分为个别性同调，再将这些成分非同调性地组合在一起。有几种不同的产生及非同调地组合这些影像，如以下所详述。

图10描绘一ADF-TEM的参考版本之较佳实施例，为了方便描绘，下面其它的较佳实施例将会跟图10作比较。电子照射460平行于光轴130并照射到试片40。电子束从试片40散射出来，在物镜平面470被物镜收集，该物镜将电子束聚焦于成像平面100。在物镜的后焦平面480形成绕射图案，该绕射图案为该试片40的傅立叶变换(Fourier transform)，代表从试片40来的散射角。三个散射电子束490描绘从试片40上的不同点，以同样角度散射到后焦平面480之一点上。该三个点对应到的散射向量(scattering vectors)为g，0，-g。后焦平面480包含环形孔60，其中包含一射线阻挡组件600，该阻挡组件外围有一环状开口610，该环状开口610之外径为D，实现环状暗视野模式。当左右散射束穿过环形孔60时，该正向散射束在后焦平面480被射线阻挡组件600所阻挡，只有穿过环形孔60的射线传递到成像平面100形成暗视野影像。

孔的外径D和分辨率存在一种关系。孔60决定了TEM或STEM成像的角度范围。在TEM的例子中，电子束照射于试片40，而电子从试片40的不同绕射点散射出来，且以同一个角度聚焦在后焦平面480上的一个共同点，然后再传递出去以形成一影像。孔60限制通过后焦平面480的电子，因此选择了可成像的角度。在STEM的例子中，一个电子源产生一平面波，接下来进入物镜，该物镜光圈置于后焦平面480，以限制进入物镜的照射尺寸(size ofillumination)、物镜聚焦试片上的射线角度，因此被孔径所限制。

图11为一本发明较佳实施例的示意图，其中电子束620相对于EM的光轴130倾斜一个角度。电子束620径向扫描，而扫描期间电子束620相对于光轴130保持同样的角度，结果该电子束扫描对于该光轴130形成一圆柱状对称锥。在另一实施例中，该倾斜角度可在两个角度间互换，其中该两个角度相对于光轴为对称的(或”镜像”角度)，图中所示为两个角度中的一个角度。例如，电子束620可穿过一倾斜三菱镜，该三菱镜可将该电子束620在两个镜像角度之间作变换。入射电子通过试片40而散射，产生散射电子束630，如图所示，两个电子束在旁边，而一个电子束在中间。散射电子束630被物镜聚焦于成像平面，散射电子束630产生一个绕射图案在后焦平面，之后被带有圆盘开口637的孔633过滤。从不同位置电子束620扫描产生的影像成分被加总起来。这些影像成分彼此不同调。试片40透过一个圆锥状被照射，扫描，或在不同镜像角度变换照射试片40，并超时收集成像成分在成像平面100上，一个非同调加总(incoherently-summed)的影像就此产生。该相对于光轴130的倾斜角可小于大约100毫弧度，而且可超过孔的半径D/2。

如图11所示，这些实施例可在暗视野模式下运作，而不用一个有中央阻挡组件600的环形孔60。如图所示，孔633可适用并可选择一个足够高的倾斜角，可使得第零阶光束直接打在孔633上但没有穿过在后焦平面480的开口637。当右散射光穿过孔633，而该正向散射光束(0)及左散射光束被在后焦平面480的孔633阻挡。只有通过开口637的电子束才能到达成像平面100，形成一暗视野影像。另外，一环形孔，如图10所示，可用来取代有圆形开口637之孔633。

图12描绘一种很普遍的方式，振幅对比(amplitude contrast)在非同调性环状暗视野成像中增强，而相位对比(phase contrast)减低，以提高试片上点状物的对比。图中显示一理想振幅讯号640，它是从一含有点状物在非晶型基板的试片来的。为了说明起见，不同的非同调影像成分，标示为650、660、670、680等等，依序上下排列的影像成份由该点状物所产生。对于每一个影像成份，水平轴代表位置，而垂直轴代表讯号振幅。每一影像成份包含一振幅对比成份及一相位对比成份。而相位对比主导TEM的成像，如图中影像成份650、660、670、680等等所示。此方法描绘从相位杂讯中提取振幅讯号640。

例如，在一特殊的影像模式下，顺序地或同时地提取一堆影像成份650、660、670、680…。与相位对比来的斑点杂讯(speckle noise)相比，在每一个影像成份650、660、670、680等等中，振幅讯号是小的。然而，在不同的影像成份650、660、670、680…之间，该斑点杂讯变化很大。同时，藏在这些斑点杂讯之中，有一微小但一致的振幅讯号640存在于不同的影像成份650、660、670、680…之中。因此，当影像成份650、660、670、680…叠加起来，该斑点杂讯倾向于彼此抵消，而振幅讯号640得到加强。因此，当更多的彼此非同调影像成份叠加起来，形成一越来越可辨识的讯号690。

图13展示非同调叠加的另一实施例的例子。在图中，使用不同的能量，因此散射角度微小变化。因为物镜对能量较高的电子比能量较低的电子聚焦性弱，从试片来的散射角度会依此变化，如同图中散射射线490及700所示分别为低和高能量射线。在图中，相对于图10，射线的一部份原本在成像平面100之成像为一个点，现在的成像变成一个扩散区域710，而射线460之另一部份，原本在成像平面100之成像为一个点，现在的成像变成一个较窄的扩散区域720。虽然区域710及720代表试片40上的同一个点的扩散影像，在成像平面100上，它们的中心还是几乎在同样的位置。一个单点状物，运用此方法成像，将一致地成像在同一个点。同时，背景所产生的斑点杂讯将被平均掉(beaveraged out)。

电子能量的调整可运用不同的方法，包括，例如，选择一具有大的能量分布的电子源，增加照射系统的色差(chromatic aberration)，及将施加于电子源的电压，随时间平移而加以调节，其中调节的频率大于曝光的频率。

图14显示实施非同调叠加(incoherent superposition)另一实施例的例子。在该实施例中，在不同时间曝光的影像加总起来。再一次地，经过加总，更大的振幅对比产生，同时，相差对比则降低。

图15显示实施非同调叠加的另一实施例。在图15中，该电子束横向移动到不同的横向位置，例如位置725和位置730，在不同的时间以得到不同组的散射电子束490及495，以及导致相当不同的非同调成份。该平移可用前述例子中之偶极偏转器(dipole deflectors)，在电子束达到试片之前先平移该电子束。

图16描绘另外一实施例，其中一三菱镜740用在电子束的路径上，以移动所有或部分电子束，例如从位置725到位置730。

图11、13、14、15及16的实施例描绘成份影像，一一顺序地或同时平行地曝光，以增进振幅对比相对相位对比而言，因此，增进该照片(或影像)的解读性。

暗视野TEM中的电子能量的决定，至少部分根据该试片的穿透性而定。该试片的厚度大约是2纳米数量级，例如举例说一个大约1纳米的厚度。在一个例子中，该试片由碳原子所构成，虽然单元子厚度的石墨也可使用。因此，单单只考虑到电压，1千eV的电子可能是最低的适合能量。

不幸的是，因为电子的波长与能量成反比，绕射极限要求矫正角度要大。这样对相差矫正暗视野TEM的制造形成挑战。这一相差矫正暗视野TEM操作在更高的电压是适合的，例如从大约1千伏到大约300千伏。例如，该暗视野TEM可操作在大约30千伏。这个电压范围是在传统显微镜的范围，在这个范围静电矫正组件的实施是不可行的，因为会有从高局部电场、高压放电及高能量电子传输而导致的损害风险。

为了实现像差矫正暗视野TEM柱的小型化，该电压可部分地依据该小型化实施例的尺寸而定。比起上述叙述，该柱的小型化可更进一步实施。这样一个小型化像差矫正柱，通过电荷在光轴上组件维持像差矫正，该电荷在光轴上组件与上述描述，有大致相同的特征。一特殊的侦测器可能有用，所以是在STEM模式或SEM模式下操作，而非在TEM模式下操作。在这种情况下，使用了一固态回散射侦测器(solid-state backscatter detector)。

暗视野TEM在一较佳实施例中倾向于使用一大约10微微安培(pA;picoamps)到1毫安培。当电流超过100微安培，同调性就下降。当打算要设置一个非同调照射，高空间性电荷密度可用以增加非同调性。因此，对于一个非同调照射模式，使用一个超过100微安的电流是有利的。

在一个同调照射模式中，电子束最好是“单色(monochromatic)”，换言之，该电子能量分布范围要够小，以避免对焦上的问题。电子束能量的分布，基本上会导致成像对焦上的改变。因此，该成像可想成是有许多变化的焦距影像的总合。如果该能量范围太大，则在成像上，单原子群的强度讯号会糊掉且散布在一更大区域，因此变成与背景无法区分。因此，该能量分布范围小于10eV可能是最好，以避免影像模糊。然而，如果期望聚焦点更小，最好有低于1eV的能量分布。一电子束甚至可有能量分布小于200毫eV。这种能量分布是令人期待的，因为在此光学系统中，色散像差矫正(chromatic aberration correction)是不需要的。然而在其它情况下，如色散像差矫正设置于该光学系统中，可允许使用大的电子能量分布。例如，本文所述的色散像差矫正器可处理几千电子伏特的能量分布。

虽然上述的实施例，已经在图解及例子中详述，以方便理解，举凡所属技术领域中具有通常知识者当可依据本发明的上述实施例描绘及精神而作其它种种之改良及变化。然而这些依据本发明实施例所作的种种改良及变化，当仍属于本发明的发明精神及界定之专利范围内。也应理解该本文所述的专有名词，仅仅只是方便于解释本发明，而不应用于限制本发明之范围。

需要指出的是，除非上下文清楚表明，否则在本说明书和权利要求书中使用的单数形式“a”、“an”和“the”包括复数的指示物，进一步要指出，权利要求可以起草为排除任何选择元素。同样，本声明希望作为使用如“唯一的”、“唯一地”等专有术语的先期基础，以及同样地与所列举的权利要求元素相关或否定限制的使用，举凡所属技术领域中具有通常知识者在阅读本发明的说明书之后可知，本文各方面所描述及描绘的各组件及特征，可容易地拆开及组合而不脱离本发明说明书的精神及范围。任何本发明所列举的方法，可以列举的事件依序完成，或以任何顺序如果逻辑上是可行的。因此，上述描绘只是举例描绘。显而易见地，举凡所属技术领域中具有通常知识者可轻易地想出其它实施例，虽然没有明确地描绘或图解，而该其它实施例不脱离本发明说明书的精神及范围。

此外，本文所列举的所有例子及条件式的语言(conditional language)主要目的是帮助读者了解本发明之原则及观念，或更进一步的技术，但不局限于本文列举的例子及情况。此外，本发明叙述的原理及观点，以及具体例子，其目的在于涵盖功能上及结构上等效物(equivalent)。而且，该等效物包括现在已知的等效物及未来发展出的等效物，也就是，任何组件可执行同样的功能，无论其结构为何。因此，本发明的范围并非局限于本文所较佳的结构。相反地，本发明的范围及精神由本发明的申请专利范围所体现。

在本说明书中，已描述各种较佳实施例及其参照附图。然而，显而易见地各种其它的修改及改变，可根据该实施例及其参照附图作出，而不脱离申请专利的范围。该申请书及该附图相应地被视为一个举例描绘而非限制。

Claims

1.一种穿透式电子显微镜，包含：

一电子束源，用以产生一电子束；

一电子束用光学组件，用以收敛该电子束；

一像差矫正器，用以矫正该电子束之至少一种球面像差；

一试片座，用以设置一试片，并位于该电子束路径上；以及

一侦测器，用以侦测穿过该试片之电子束，其中，所述之穿透式电子显微镜适于在暗视野模式下操作，该模式中该电子束的第零阶不侦测。

2.如权利要求1所述的穿透式电子显微镜，其中，所述电子束源系用于产生一实质上的同调电子束。

3.如权利要求2所述的穿透式电子显微镜，其中，所述电子束用光学组件定义了该显微镜的光轴，沿着该光轴，该电子束用光学组件有大致上的圆柱对称，该像差矫正器包含一组件，接近于该光轴上。

4.如权利要求3所述的穿透式电子显微镜，其中，所述像差矫正器包含的组件为静电电荷组件。

5.如权利要求1所述的穿透式电子显微镜，其中，所述电子束源系用于产生一实质上的非同调电子束，该非同调电子束的能量分布小于1eV。

6.如权利要求5所述的穿透式电子显微镜，其中，所述电子束源为一钨灯丝或六硼化镧的灯丝。

7.如权利要求5所述的穿透式电子显微镜，其中，所述电子束源用于产生至少100nA电流的电子束。

8.如权利要求5所述的穿透式电子显微镜，其中，侦测时，所述穿透式电子显微镜适于横向移动所述电子束。

9.如权利要求1所述的穿透式电子显微镜，进一步包括一电子束偏转器，该电子束偏转器以相对于所述显微镜的光轴呈一圆锥形照明图案的角度扫描所述电子束。

10.如权利要求1所述的穿透式电子显微镜，其中，所述像差矫正器包括一组磁性或静电式组件，且该组件打破圆柱状对称。

11.如权利要求1所述的穿透式电子显微镜，进一步包括一环形孔以产生暗视野模式，该环形孔包括；

一圆盘阻挡组件位于电子束之径向中心，以阻挡该电子束之中央部分；及

一外圈阻挡组件与该圆盘阻挡组件同圆心，并与该圆盘阻挡组件相隔一环型间隙，因此该电子束的一部份可穿过该环型间隙。

12.如权利要求11所述的穿透式电子显微镜，其中，所述电子束用光学组件包括一物镜，其中，所述环型间隙之开口相对于该物镜，大约为从15毫弧度到50毫弧度。

13.如权利要求1所述的穿透式电子显微镜，其中，所述像差矫正器包含一电荷在光轴上的矫正器，该电荷在光轴上的矫正器包括；

至少一静电电荷组件，接近于该穿透式电子显微镜之一光轴；及

一环形孔以产生暗视野模式，该环形孔包含一外圈阻挡组件，与该静电电荷组件同圆心，并与该静电组件相隔一环型间隙。

14.一种穿透式电子显微镜，包括：

一电子束源，用以产生一电子束；

一电子束用光学组件，用以收敛该电子束，该电子束用光学组件定义了该显微镜的光轴，沿着该光轴，该电子束用光学组件有大致上的圆柱对称；

一像差矫正器，包括一组件接近于该光轴，用以至少矫正该电子束之球面像差；

一试片座，用以设置一试片于该电子束路径上；以及

一侦测器，用以侦测穿过该试片之电子束，其中，所述穿透式电子显微镜适于在暗视野模式下操作，在该模式中该电子束的第零阶不侦测。

15.如权利要求14所述的穿透式电子显微镜，其中，所述电子束源系用于产生一实质上的同调电子束。

16.如权利要求14所述的穿透式电子显微镜，其中，所述电子束源用于产生一实质上的非同调电子束，该非同调电子束的能量分布小于1eV。

17.一种穿透式电子显微镜，包含：

一非同调电子束源，用以产生一非同调电子束；

一电子束用光学组件，用以收敛该电子束；

一像差矫正器，用以至少矫正该电子束之球面像差；

一试片座，用以设置一试片位于该电子束路径上；以及

18.一种穿透式电子显微镜的电子束组件，该电子束组件包括；

一电子束源，以产生电子束；

一像差矫正器，至少矫正该电子束之球面像差；及

一侦测器，用于侦测穿过一试片之电子束，

其中，所述电子束组件适于在暗视野模式下操作，在该模式中该电子束的第零阶不侦测。

19.如权利要求18所述的电子束组件，包括一环形孔，以产生暗视野模式，该暗视野阻挡件包括(i)一具有实质上的圆形横截面的圆盘阻挡件，该圆盘阻挡件大致位于所述电子束的径向中心，以阻挡所述电子束的中央部分；(ii)一与所述圆盘阻挡件同轴并间隔设置的外圈阻挡件，所述圆盘阻挡件与所述外圈阻挡件之间包括一环型间隙。

20.一种穿透式电子显微镜的暗视野像差矫正器，该暗视野像差矫正器包括；

一像差矫正器，至少矫正一电子束之球面像差；及

一暗视野孔径，包括一暗视野阻挡组件，该暗视野阻挡组件包括(i)一具有实质上的圆形横截面的圆盘阻挡件，该圆盘阻挡件大致位于所述电子束的径向中心，以阻挡所述电子束的中央部分；(ii)一与所述圆盘阻挡件同轴并间隔设置的外圈阻挡件，所述圆盘阻挡件与所述外圈阻挡件之间包括一环型间隙。