CN1039324A - 用于环境(Environmental)扫描电子显微镜的整套的电子光学/差压抽气/图象信号检测系统 - Google Patents

用于环境(Environmental)扫描电子显微镜的整套的电子光学/差压抽气/图象信号检测系统 Download PDF

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Abstract

用于环境扫描电子显微镜的整套电子光学/差压抽气/图象信号检测系统。该显微镜包括：圆柱形物镜磁屏蔽罩14；罩14包括真空衬管22和束流聚焦装置20，一磁性环47邻接罩14的下端并有两个轴向设置的抽气口；至少两个非磁孔板34，36和一终端磁性孔板38装在环47的不同轴向位置并向其内延伸。这些孔板至少确定了分别连通所述抽气口的两个内部通道；一个可拆卸地安装并密封于孔板34，36之中心孔内的光阑座和电子检测装置。

Description

本申请是名称为“用于气体气氛中的次级电子检测器”、申请号为052，700、申请日为1987年5月21日的美国专利申请的部分延续。
本发明涉及环境扫描电子显微镜（ESEM），特别是涉及一种用于环境扫描电子显微镜的整套的电子光学/差压抽气/图象信号检测系统。
就基本情况而言，ESEM优于标准的扫描电子显微镜（SEM）之处在于它能显示潮湿的或非导电样品（例如生物材料、塑料、陶瓷、纤维）的高分辨率的电子图象。而上述样品在SEM的通常的真空条件下极难成象。ESEM允许样品保持其自然状态，而不会产生由高真空电子束观测通常所要求的干燥、冷冻或真空镀膜所造成的变态。而且由于在ESEM样品室中容易承受相当高的气压还有效地消除了通常积累在非导电样品上的防碍获得高质量图象的表面电荷。ESEM还可以对液体输送、化学反应、溶液、水合作用、结晶及其他蒸气压相对来说比较高的过程进行直接的、实时的观察，上述蒸气压可远远高于通常SEM样品室所能允许的压强。
在成象能力方面的这一技术进展在一个广阔的多学科的范围内向研究人员显示了以前不能见到的显微现象，上述学科包括医学、生物学、食品和制药技术、地质学、合成材料、纺织、半导体及法律刑事侦察，但不限于上述学科。简而言之，上述学科范围包括任何涉及使用标准SEM难以成象的样品的领域。先前，尽管不实用（如果不是不可能的话），然而这一发明使得可以对完整的，未经制备的样品在高蒸气压强下进行电子束观察。上述的这一发明将压强控制和信号检测装置结合在一起，并将它们完全装在ESEM电子束竖筒的磁物镜之中。这一机电设计满足了同时进行压强控制、电子束聚焦和信号放大的要求，而没有对样品处理或显微分辨能力加以实用上的限制。
本发明总的目的是提供一种经过改进的环境扫描电子显微镜。
本发明还有一个目的，就是提供一种能对液体输送、化学反应、溶液、水合作用、结晶和其他在相当高的蒸气压下出现的过程进行直接、实时的观察的经过改进的环境扫描电子显微镜。
本发明还有一个目的，就是提供一种经过改进的、将压强控制和信号检测装置完全装在ESEM的电子束竖筒的磁物镜中的环境扫描电子显微镜。
本发明还有一个目的，就是提供一种经过改进的环境扫描电子显微镜，该显微镜提高了信号收集效率和性能，并减少了工作距离，从而提供了更好的样品分辨率。
本发明还有一个目的，就是提供一种环境扫描电子显微镜，该显微镜同时满足进行压强控制、电子束聚焦和信号放大的要求，而无需对样品处理或显微镜分辨能力加以实用上的限制。
本发明还有一个目的，就是提供一种将压强控制和信号检测装置组合在一起、并将它们完全装在ESEM电子束竖筒的磁物镜中的环境扫描电子显微镜。
本发明还有一个目的，就是提供一种环境扫描电子显微镜，该显微镜的检测器同装在物镜组件之中的限压光阑结合在一起，从而允许在样品周围使用高压强。
本发明还有一个目的，就是提供一种经过改进的环境扫描电子显微镜，该显微镜的电子检测器同一个限压光阑结合在一起，这样，阳极板检测器并不占用背散射检测器的空间。
本发明还有一个目的，就是提供一种经过改进的环境扫描电子显微镜，在其中，一个单载物台电子检测器同一个限压光阑结合在一起，所述检测器具有与背散射检测器或者环境次级检测器一起成象的能力，无需改变所述设备的机械结构。
从以下详细的说明和附图中人们将会清楚地看出本发明的其他目的和优点，在附图中相同的标号表示相同的部件。
本发明总的来说涉及一种经过改进的环境扫描电子显微镜，特别是涉及用于环境扫描电子显微镜的整套的电子光学/差压抽气/成象检测系统。
在一个最佳实施例中，所述显微镜包括一个用于产生和发射指向被检测样品的电子束的电子枪。所述电子显微镜的真空系统包括两个主要部分，即一个电子光学竖筒和一个样品室。所述电子光学竖筒包括一个物镜组件。所述物镜组件包括一个用于使电子束聚焦的装置和一个用被聚焦的电子束扫描所述样品表面的装置，所述扫描装置能够利用由电子枪所发射的穿过限压光阑的电子束进行扫描。所述样品室置于所述电子光学竖筒下方，并能放置一个被气体所围绕的与所述终端限压光阑对正的样品，这样可使所述样品的一个表面暴露给被聚焦的电子束。
这种ESEM的压强控制部分被装进物镜组件中。圆柱状真空衬管下端接两个“中间”真空室或内部通道之中的第一个，上述真空室或内部通道是由两个非磁性孔板和一个终端磁透镜极片所确定的。所述真空室完全装在物镜磁屏蔽罩里并且相对于物镜屏蔽罩加以密封。该磁屏蔽罩专门钻出许多沿径向排列并与其外部抽气系统连通的孔。所述电子束经过光学竖筒向下穿过所述两个真空室，然后碰到浸在样品室气氛中的样品表面。所述电子束穿过两个成一条直线地装在一个可移动的光阑座上的限压光阑。与通常的SEM样品室（它必须保持在0.0001乇或更低的真空压强下）相比较，这种ESEM能保持样品室的压强超过20乇（室温下水蒸汽的饱和分压）而不会显著地降低上面竖筒区域内的真空度。
此外，将次级电子成象检测器和上述光阑座结合在一起。光阑座和电子检测器的整个组件被旋进一个非磁性套管，附着在所述磁物镜极片上。当完全旋进时，所述光阑座将所述极片和所述差压抽气系统的下孔板封住，而所述两个限压光阑同时被安装在它们的合适的位置上。所述光阑座的上部限压光阑接收来自上部真空室的初级电子系，而整体的下部限压光阑和检测器极板面向所研究的样品。所述光阑座主体通过几个孔放气以使两光阑之间的区域很好地暴露于下边的中间真空室的压力水平。上部光阑可直接加工在所述光阑座上。下部光阑必须安置在一个绝缘套管里以使检测器与接地透镜极片电绝缘。
由样品发出的二次电子受由加在检测器上的偏压产生的电场的作用而朝向阳极板表面加速，典型的偏压是正几百伏。样品表面由于气体中游离电荷载体的作用实际上保持零电位（接地）。被加速的电子和气体分子间的碰撞释放出附加的自由电子，这些自由电子本身也被朝向检测阳极板加速。在适当加以控制的气压和场梯度条件下，到达检测器阳极板的气体增生电子流可以显示出它是次级信号本身的线性递增函数，并且可用来产生用于观察和记录电子图象所需要的视频信号。检测阳极板所收集到的电流被一个自动调节在检测器偏压的电流放大器接收，并且在全频带宽度与一个接地视频电路耦合。
双光阑座和二次电子成象检测器组件包括一个主体、一个绝缘体和一个环状偏压板检测器。所述主体包括一个上部的或第一限压光阑和一个空腔或一个在所述上部限压光阑对面一端形成的通道。所述主体的上部限压光阑接收来自光学竖筒衬管的电子束。所述光阑座的下部的或第二限压光阑同阳极板检测器结合构成一个整体。利用这两个光阑（即第一限压光阑和第二限压光阑）物镜组件将样品室的高压强和光学竖筒衬套的真空分开。由于电极与第二限压光阑重合并面对样品，所以由样品发射的二次电子可碰撞在它上面。这样的设计使得电流背射收集器工作不受阻碍，从而可以利用正常的二次电子发射图形和任何由此而来的漏斗效应。
下面以举例的方式给出详细的说明，但本发明并不局限于这些特定的实施例。下述说明最好同附图一起来理解。
图1是可适用于本发明的已有技术中的扫描电子显微镜的正视透视图。
图2是用于所述环境扫描电子显微镜的物镜组件的最佳实施例的正视纵剖面图。
图3是双光阑座的最佳实施例的放大的正视部件分解图。
图4是沿图2中3-3线的垂直剖面图。
现在参考图1来描述一个“标准的”的扫描电子显微镜（SEM）其中的电子枪（2）发射一束电子束穿过电子光学竖筒（1）。电子束穿过用于使束流聚焦的磁透镜（3）和（4）。所述电子束随后射进样品室（8），在那里与装在样品台（5）上面的样品相碰撞。
图2表示用于本发明的环境扫描电子显微镜的一个新颖的物镜组件，所述显微镜可检测处于气体环境中的样品。电子枪发射的电子束穿过ESEM的大体上是圆柱形的物镜磁屏蔽罩（14）。屏蔽罩（14）最好是铁制的。上述电子束叫做“初始束流”，一般用标号（19）表示。初始束流加速后趋向发散。在物镜磁屏蔽罩（14）内装置了一个透镜铜线绕组（20），用于使束流（19）聚焦。所述铜线绕组线圈环绕着安装在物镜磁屏蔽罩（14）内的轴向安装的真空衬管（22）上。在竖筒衬管（22）附近分别按径向安装一个上扫描线圈（21）和下扫描线圈（23）。这些扫描线圈沿着竖筒衬管（22）的长度方向扫描束流。一个消象散器线圈（25）沿径向安置在上扫描线圈（21）上方的所述竖筒衬管附近。所述消象散器线圈校正束流形状。竖筒衬管（22）有一个竖筒衬管放电口（24），电子束流穿过所述放电口（24）被扫描和聚焦。
采用小孔将一个真空系统分隔成一些增加静压强而又在它们之间保持一条束流不受阻碍的路径的独立区域，这种技术是众所周知的。通常叫做差压抽气。这种技术被广泛应用并且达到几乎在每个电子显微镜中都能见到的程度。如图2所示，ESEM中的物镜组件在电子显微镜领域中在它的压强控制系统的仪器和在差压抽气区域中所保持的压强水平这两方面来说都是独创的和新颖的。
首先，如图2所示，电子束从真空竖筒衬管（22）的高真空进入与真空竖筒衬管（22）连通的一个差压抽气光阑系统（28），所述系统（28）穿过一系列内部通道或“中间”真空室。电子束从一个低压强区域（30）进入一高压强区域（32）。
为产生并隔开不同压强区域，将至少两个普通的非磁性材料的环状孔板和一个终端磁透镜极片或孔板附装在屏蔽罩沿轴向的不同位置并向所述屏蔽罩内部延伸。上述这些部分包括非磁性第一和第二普通环状孔板（34）和（36），以及一个终端环状磁性透镜极片（38）。每个孔板各自有一个中心孔（39a）、（39b）和（39c），电子束穿过上述中心孔。低压强区域或第一“中间”真空室（30）位于第一和第二普通环状孔板（34）和（36）之间。高压强区域或第二“中间”真空室（32）位于第二普通环状孔板（36）和终端极片（38）之间。
所述物镜组件还包括将所述孔板以可拆卸的方式固定在屏蔽罩内并将压强区密封的装置。将第一或上部非磁性孔板（34）在其一端通过紧固件（43）安装在由磁性材料构成的上部环状支撑元件或环（42）的上部（41a）上并加以密封。环（42）靠在一个位于屏蔽罩（14）内的环状磁性法兰盘（40）上。上部非磁性孔板（34）向上部的环（42）内部延伸。同样，第二或下部普通环状非磁性孔板（36）通过紧固件（44）安装在所述上部环（42）的下部（41b）上并加以密封。第二环状孔板（36）也向上部环（42）内部延伸。终端磁性极片（38）通过紧固件（49）安装在第一环（42）附近由磁性材料构成的下部轮状圆环（47）上并加以密封。为使压强区域彼此密封，提供了一系列的O形环，例如44a、44b、44c、44d、44e、44f、44g和44h。就这样，由于采用了这种结构，真空室（30）和（32）全部装在物镜磁屏蔽罩（14）里并相对于该磁屏蔽罩加以密封。然而，由于所述孔板是以可拆卸的方式固定在所述屏蔽罩内，所以可以容易地取下孔板并进行有效的清洗。
第一和第二环状孔板最好是用铝制造的，而与衬管开口（24）相邻的真空竖筒衬管部分通过上部孔板（34）的环状中心套管（48）被支撑在物镜屏蔽罩（14）中并与之同轴。上部孔板（34）按真空衬管（22）。在中心套管（48）里装有一个O形环以进一步将竖筒衬管（22）支撑在屏蔽罩（14）之中并与之同轴。
通过限制差压抽气光阑系统（28）内的气体分子数和控制相邻压强区域之间的气体流动，可使电子束穿过差压抽气光阑系统而不会因与气体分子的碰撞被显著扭曲。通过真空泵装置（未画出）在所述屏蔽罩内保持所需要的真空度。为了将每个真空室或内部通道和它的外部抽气系统连通，在物镜磁屏蔽罩（14）上打有若干沿轴向彼此隔开的孔（45）和（46）。为连通低压区域（30），在上部轮状圆环（42）内环绕四周设置许多沿径向排列的孔（45）。同样，为保持高压区域（32）内的压强，下部轮状圆环（47）也有许多沿径向环绕四周设置的孔（46）。径向孔（46）连通一个相应的外部抽气系统。
为了使磁性铁屏蔽罩（14）能延伸到真空竖筒衬管（22）附近以便使电子束正常地聚焦，第一孔板（34）包括有一段倾斜部分（51a），该部分靠在铁屏蔽罩（14）上的环形倾斜部分（55）上。所述倾斜部分（55）基本上延伸到光学衬管开口（24）为止。为使第二环状环板（36）和终端极片（38）与第一孔板（34）这一圆锥倾斜部分（51a）相一致，第二孔板（36）也有一倾斜部分（51b）、终端极片（38）也有一倾斜部分（51c）。如图2所示，差压抽气系统（即各个孔板、终端极片、轮状圆环和抽气口）相应于所述物镜屏蔽罩的孔板的中心孔是对称的。
光学竖筒衬管中心的电子束（19）在碰撞样品（50）的表面之前穿过两个真空室（30）和（32）而样品表面是处于样品室气氛（51）中。所述电子束穿过两个以同轴的方式装在一个可移动的双光阑座和次级电子检测器组件（54）中的限压光阑（52）和（53）。这两个光阑处于光阑座（54）相对的两端，将样品室（50）的高压强与竖筒衬管（22）的真空空间隔开。
上述光阑座位于所述第二孔板和终端极片的中心孔内以使电子束从真空衬管（22）进入内部通道（30）和（32），然后进入ESEM的样品室（50），并限制了样品室中的气体分子进入上述内部通道。更具体讲，电子束处于穿过竖筒衬管开口（24）的真空竖筒衬管（22）之中，该开口（24）位于第一光阑（34）的中心孔（39a）之中，而该孔板（34）的尺寸使得电子束能从上述真空衬管进入低压强区域或上部的内部通道（30）。光阑座（54）的上部光阑（52）位于第二环状孔板（36）的中心孔（39b）之中。而光阑（52）的尺寸使得电子束能进入下部的内部通道或高压强区域（32）并且限制气体从上述下部的内部通道进入上述部的内部通道（30）。光阑座（54）的下部光阑（53）实际上与终端极片（38）的中心孔（39c）同轴。光阑（53）使得电子束能进入ESEM的样品室（50）并限制气体从所述样品室进入下部的内部通道（32）。
更具体地讲，如图3和图4所示，双光阑座和次级电子检测器系统（54）包括一个主体部分（56）、一个绝缘体（60）和一个环状偏压板检测器（62）。所述主体包括有在端部（63）处的第一或上部限压光阑（52）和在光阑（52）下面的上端部分形成的空腔（64）。主体（56）最好是用非磁性的不锈钢制成的并且具有多个交错排列的凹槽的外表面。所述主体还有许多小孔（61），小孔（61）与高压强区域（32）连通并与空腔（64）连通，使得空腔（64）保持近似于高压强区域（32）的压强。
绝缘体（60）的结构象一个空心圆柱体并分别有进口和出口（67）和（68）。绝缘体（60）以可插入的形式安装在主体的开口（65）内。绝缘体（60）最好用聚甲醛、尼龙、石英或陶瓷制成。环状偏压板（62）与电子束同轴并且包括一个基座部分（69）和一个茎部（70）。茎部（70）装在绝缘体（60）的出口（68）内，而基座部分（69）有一个限定光阑座（54）的下部光阑（53）的开口。检测器板最好用不锈钢制作，而上述基座部分的直径最好是约为0.150英寸。这种结构使得所述检测器板和光阑座形成一个整体。
这里介绍的是有关最佳实施例的一种设计。光阑座（54）以可移动的方式支撑在中心开口（39b）和（39c）中，这使得光阑（52）和（53）正对从光学竖筒衬管开口（24）射出的电子束。为了在环状孔板（36）的中心孔（39b）内支撑光阑座，一般的环状孔板（36）具有端部（71）和（72），所述两个端部共同支撑主体（56）的端部（63）。同样，环状孔板（36）的基座部分（73）和（74）被支撑在主体（56）的凹槽（75）中。光阑（52）以这样的一种方式对准真空竖筒衬管（22）的竖筒衬管放电开口（24）。
此外，将整个组件（54）旋进一个非磁性的套管（76），请见图3。该套管最好是青铜制作，永久性地固定在物镜极片（38）上。当全部旋进时，所述光阑座将极片（38）和差压抽气系统的孔板（36）密封，而两个限制光阑被安装在它们的适当的位置上。上部光阑接收来自上部的真空室（30）的初级电子束，而下部光阑（53）和检测器极板（62）面对所研究的样品。所述光阑座的主体通过几个开口（61）放气，以使所述光阑之间的区域很好地达到高压强区域（32）的压强水平。上部的光阑（52）可直接加工在所述光阑架上，出口光阑必须装进绝缘套管（60）以使加有偏压的检测器与接地的透镜极片绝缘。
电子束射出竖筒衬管口（24）后就穿过低压强区域（30）和较高压强区（32）。电子束穿过竖筒孔（24）和光阑座（54）的主体（56）上部的光阑（52）之间的低压强区域（30），接下去电子束穿过光阑座的光阑（52）和（53）之间的所述主体的空腔中的高压强区域（32）。这样，上述光阑座的光阑（52）和（53）将样品室的高压强和真空竖筒衬管（22）的真空隔开。
为了得到更好的图象分辨率，上述检测器板就要起一个电极的作用，它使得从样品台（50a）上的样品表面所发生的二次电子可以碰在板上。在这种结构中，检测器板（62）与光阑（53）构成一个整体，因此，使信号收集效率达到最大值，并允许样品处在终端限压光阑以下一定范围的距离（工作距离）的位置。然而，要得到最佳分辨率，已发现样品应放在距终端限压光阑（53）大约4至10毫米左右的位置。
从样品（77）发出的二次电子（78）被由偏压所产生的电场朝向检测器板表面加速，典型的偏压是正几百伏。样品表面由于气体中游离的电荷载体的作用而有效地保持在零电位（接地）。被加速的电子和气体之间的碰撞释放出附加的自由电子。这些自由电子本身也被朝向所述检测器板加速。在适当控制的气压和场梯度的条件下，到达上述检测器板的气体增生电子流可以被证明是次级信号本身的线性递增函数，并且该电子流可以用来导出观察和记录电子图象所需要的视频信号。上述检测器板所收集的电流由自动调节在检测器（79）的偏压的电流放大器（80）接收并且必须在全频带宽度被耦合至接地视频电路（82），所述视频接地电路（82）连接一个显示装置（83）。
光阑（52）和（53）要大到足以使电子束通过，但又要尽可能地小，小到实际上可以限制气体从下部相邻的一个处于高压强的室泄漏到上部的一个室。在最佳实施例中，上部光阑（52）的直径最好是50到1000微米，而终端光阑（53）的直径最好是50到1000微米。
每个真空室（30）和（32）各自由它们自己的外部抽气系统抽真空。所述抽气系统能够抽去所述光阑的漏气负载，同时又保持所需要的压强。位于透镜屏蔽罩（14）内的所述差压抽气系统的所有部分由非磁性材料制成，这样就不会影响临界磁聚焦场的形成。
与通常的必须保持0.0001乇或更低的真空度的SEM的样品室相反，本发明的ESEM能够维持样品室的压强超过20乇（室温下水蒸汽的饱和分压）而不会明显地降低上部竖筒区域内的真空度。如果除去光阑（52）和（53）外再加上第三个限压光阑和第三个差压抽气样品台，可使样品室保持在常压（760乇）或甚至更高的气压。
这种结构的一个重要的优点是组合差压抽气系统不会象透镜下类型的压力控制系统中所遇到的那样，由于加长了工作距离（透镜至样品之间的距离）而导至电子光学性能的损失。更进一步讲，成象检测器同限压光阑（53）的组合可以使得工作距离变得极为短，这就保证了当初始束流在碰撞样品之前穿过高压强样品室时所出现的散射最小。
在高室压下工作的次级电子成象检检测器的存在对于使用任何电子显微镜来说都是重要的。尽管关于这个题目一直存在争论，然而由扫描-束流-样品相互作用产生的次级电子流现在已被用来产生所有SEM图象的绝大部分，并被广泛地用作高分辨率的信息载体。由于ESEM样品室中的气体环境，传统的高真空SEM的埃娃哈特-桑雷（Everhart-Thornley）成象检测器不能用，因为它的闪烁器表面所需要的几千伏偏压会引起气体的电击穿。然而，由于在电子显微镜中所涉及的束流和信号水平极低（微微安），所以从工程观点来说，类似于埃娃哈特-桑雷检测器的闪烁器光电倍增管中所能得到的图象信号的噪声放大是非常需要的。
要想使利用所述整套的光阑-检测器装置所形成的图象与次级电子信号相对应，只需选择下述参数：光阑偏压、气压和对于给定气体或气体混合物的样品-光阑距离。通过选择这些参数的不同组合，已经证明可以产生对应于背散电子信号（BSE）的图象。进一步讲，通过改变这些参数值可以产生对应于BSE和SE的混合信号的图象。由于它的多功能作用，这个系统叫作ESEM中的一种气体检测器装置（GDD）。
很久以来人们就已知道，在一定的气压和外加电场条件下，气体中的电子流可通过与气体中的分子的连续的离子化碰撞按比例增加，产生附加自由电子级联簇射。业已发现，与本发明的束流同轴的环状偏压板检测器提供了次级电子信号的最高的和最容易控制的增益倍增。上述检测器板和所述差压抽气系统的终端限压光阑的组合减小了检测器板的尺寸并避免了大体积背散射检测器的干扰。这显然是由于在工作距离极短的情况下它具有良好的收集几何结构和有效的功能。本发明的ESEM产生的图象在质量上与用一个典型的装在侧面的埃娃哈特-桑雷检测器所得到的图象完全相同，此外还有一个优点，这就是与所述束流对应的所述偏压板的理想的轴对称的设置产生了“无阴影”二次电子图象，这在某些应用中是很重要的。以上这一点连同表面电荷的全部消除（利用气体环境中的游离离子）一起使得容易观察类似玻璃、塑料和未镀膜的半导体材料这样一些材料而无需专门制备或接地。
这样，这一机电设计满足了压强控制、电子束聚焦和信号放大同时进行的要求，而没有对样品处理和微观分辨率加以实用上的限制。
本发明根据最佳实施例已得到具体的表达和说明，从而对于本领域普通技术人员来说，显然可以作出各种变化和修改而不必偏离本发明的精神和范围。例如，所述物镜组合可仅包括一个内部通道式“中间”真空室。在这种结构中，所述内部通道将位于一个非磁性的环状孔板（如34）和终端极片（如38）之间。所述非磁性孔板的中心孔限定了上述竖筒衬管的直径。光阑座（如54）将以可拆卸的方式卡在所述非磁性孔板的中心孔和终端极片之间。按所述最佳实施例的指导，所述光阑座的上部的光阑这时位于上述非磁性环状孔板中心孔内。该孔板实际上与上述真空衬管放电孔连接。下边的光阑的位置这时基本上对准上述终端极片的中心孔。所述光阑座上的小孔连通那一个内部真空室，使得光阑座的空腔保持在内部通道的压强。这样一个系统将不会有象一个具有两个中间真空室的环境扫描电子显微镜那样的样品分辨率，但它将比一个典型的扫描电子显微镜提供更好的分辨率。
我们打算用所附的权利要求书来包括前面所述一切以及各种其他的变化和修改。

Claims (36)

1、一种用于环境扫描电子显微镜的物镜组件，包括：
(a)一个基本上是圆柱形的物镜磁屏蔽罩，该屏蔽罩包括一个轴向设置的真空衬管和用于对穿过所述衬管的电子束进行磁聚焦的装置，所述屏蔽罩具有彼此沿轴向隔开一定距离的上部和下部抽气口；
(b)至少两个环状非磁性材料的孔板和一个终端磁性环状孔板，上述这些孔板附装在所述屏蔽罩的不同的轴向位置上并且向所述屏蔽罩内部延伸，所述孔板至少限定两个内部通道，每个通道分别连通所述上部和下部抽气口；
(c)位于所述孔板中心孔内的光阑装置，可使所述电子束从所述真空衬管进入所述内部通道，然后进入所述环境扫描电子显微镜的样品室，并限制气体分子从所述样品室进入所述内部通道。
2、如权利要求1所述的物镜组件，其特征在于所述光阑被包含在一个光阑座里，该光阑座可以可拆卸的方式安装在所述孔板的中心孔里并可以加以密封。
3、如权利要求1所述的物镜组件，其特征在于所述光阑座以螺纹连接的方式安装在物镜组件的下部之中。
4、如权利要求1所述的物镜组件，其特征在于所述两个内部通道包含有不同压强的气体。
5、如权利要求4所述的物镜组件，其特征在于所述低压区域位于所述两个非磁性的环状孔板之间。
6、如权利要求4所述的物镜组件，其特征在于所述较高压强区域位于所述非磁性孔板之一和所述终端磁性孔板之间。
7、一种用于环境扫描电子显微镜的物镜组件，包括：
（a）一个基本上是圆锥柱形的物镜磁屏蔽罩，该屏蔽罩包括一个轴向设置的真空衬管和用于对穿过所述衬管的电子束进行磁聚焦的装置;
（b）一个由磁性材料构成的轮状圆环，靠在所述磁屏蔽罩的下端并包含至少两个彼此轴向设置在其中的孔;
（c）至少二个由非磁性材料构成的环状孔板和一个终端磁性环状孔板，上述孔板被附装在所述轮状圆环的不同的轴向位置上并向所述环的内部延伸，所述孔板确定了至少两个内部通道，其中每一个通道与所述轮状圆环中的所述孔之中的一个连通;
（d）位于所述孔板中心板的光阑装置使得所述电子束能从所述真空衬管进入所述内部通道，然后进入所述环境扫描电子显微镜的样品室，并限制气体分子从所述样品室进入所述内部通道。
8、如权利要求7所述的物镜组件，其特征在于所述光阑包含在一个可以可拆卸的方式安装在所述孔板的中心孔里并可加以密封的光阑座里。
9、如权利要求7所述的物镜组件，其特征在于所述光阑座以螺纹连接的方式被安装在所述物镜组件下部之内。
10、一种用于环境扫描电子显微镜的物镜组件，包括：
（a）一个基本上是圆柱形的物镜磁屏蔽罩，包括一个轴向设置的真空衬管和用于对穿过所述衬管的电子束进行磁聚焦的装置;
（b）一个由磁性材料构成的轮状圆环，靠在所述磁屏蔽罩的下部并至少包含有两个彼此轴向设置在其中的孔;
（c）至少两个由非磁性材料构成的环状孔板和一个终端磁性环状孔板，上述孔板被附装在所述轮状圆环的不同的轴向位置上并向所述环的内部延伸，所述孔板确定至少两个内部通道，其中每一个通道与所述轮状圆环中的所述孔之中的一个连通;
（d）一个光阑座和电子检测器的组合装置，以可拆卸的方式装在所述环状孔板的中心孔里再加以密封，所述光阑座具有使所述电子束和气体进、出所述环境扫描电子显微镜的样品室与所述内部通道的孔，并且具有同其下部组合在一起的电子检测器装置，所述检测器装置与所述光阑座的主体绝缘。
11、一种用于环境扫描电子显微镜的物镜组件，包括：
（a）一个基本上是圆柱形的磁屏蔽罩，包括一个轴向设置的真空衬管和用于对通过所述衬管的所述电子束进行磁聚焦的装置;
（b）一个由磁性材料构成的上部轮状圆环，靠在所述磁屏蔽罩的一端;一个由磁性材料构成的下部轮状圆环，靠在所述第一个圆环上;每个所述圆环都有许多环绕四周设置的孔;
（ⅰ）一个由非磁性材料构成的环状上部孔板，附装并密封于所述上部环的上部并向其内部延伸，所述上部孔板具有一个连接所述真空衬管的中心套管，
（ⅱ）一个由非磁性材料构成的环状中间孔板，附装并密封于所述上部环的下部并向其内部延伸，
（ⅲ）一个由非磁性材料构成的环状下部孔板，附装并密封于所述下部圆环并向其内部延伸，所述环状下部孔板包括所述物镜组件的终端极片，所述上部和中间孔板确定了一个在四周与所述上部圆环中的多个孔连通的上部内部通道，所述中间和下部孔板确定了一个在四周与所述下部圆环中的多个孔连通的下部内部通道;
（c）
（ⅰ）位于所述上部孔板中心孔的上部光阑装置，其尺寸使得电子束能从所述真空衬管进入所述上部内部通道，
（ⅱ）位于所述中间孔板中心孔的中间光阑装置，其尺寸使得所述电子束能进入所述下部内部通道并限制气体从所述下部内部通道进入所述上部内部通道，
（ⅲ）位于所述下部孔板中心孔的下部光阑装置，其尺寸使得所述电子束能进入所述环境扫描电子显微镜的样品室并限制气体从所述样品室进入所述下部内部通道。
12、如权利要求11所述的物镜组件，其特征在于所述的中间和下部光阑装置包含在一个光阑座里，该光阑座以可拆卸的方式安装并密封于所述中间和下部孔板的所述中心孔里。
13、如权利要求12所述的物镜组件，其特征在于所述光阑座以螺纹连接的方式安装在所述下部环状孔板里。
14、如权利要求11所述的物镜组件，其特征在于所述中间光阑装置的直径最好是50到1000微米。
15、如权利要求11所述的物镜组件，其特征在于所述下部光阑装置的直径最好是50到1000微米。
16、一种用于环境扫描电子显微镜的物镜组件，包括：
（a）一个具有一个导管的主体，所述主体适于以可拆卸的方式安装并密封在所述物镜组件中的一个凹槽里;
（b）一个在所述导管的下端中的下部光阑，其尺寸使得电子束能通过并限制气体从所述环境扫描电子显微镜的样品室进入所述下部光阑上面的区域;
（c）一个位于所述下部光阑之上的所述主体中的孔，所述孔连通所述导管和所述物镜组件中的下部内部通道;
（d）一个位于所述下部光阑和所述其中的孔之上的上部光阑，所述上部光阑的尺寸使得一束电子束可从其中穿过并限制气体从所述导管进入所述物镜组件之中的上部通道。
17、一种用于环境扫描电子显微镜的物镜组件的光阑座和电子检测器的组合装置，包括：
（a）一个具有一个导管的主体，所述主体适合于以可拆卸的方式安装并密封于所述物镜组件的一个凹槽内;
（b）一个在所述导管的下端的下部光阑，其尺寸使得电子束能通过并限制气体从所述环境扫描电子显微镜的样品室进入所述下部光阑上面的区域;
（c）一个在所述下部光阑上面的所述主体中的孔，所述孔连通所述导管和所述物镜组件中的下部内部通道;
（d）一个在所述导管内的上部光阑，位于所述下部光阑和所述孔的上面，所述上部光阑的尺寸使得电子束能从其中穿过并限制气体从所述导管进入所述物镜组件中的上部内部通道;
（e）一个电子检测器，位于所述主体的下端并在其中被绝缘装置隔开。
18、如权利要求17所述的光阑座与电子检测器的组合装置，其特征在于所述绝缘装置是一个装在所述主体的下端的一个凹槽中的套管，而所述检测器是一个具有被安装并夹持在所述绝缘套管内的夹持装置的金属板。
19、如权利要求17所述的光阑座与电子检测器的组合装置，其特征在于所述绝缘装置最好是甲醛聚合体制成的。
20、如权利要求17所述的光阑座与电子检测器的组合装置，其特征在于所述绝缘装置最好是用聚四氟乙烯制成的。
21、如权利要求17所述的光阑座与电子检测器的组合装置，其特征在于所述绝缘装置有进、出口，用所述进口插进并夹持在所述导管内。
22、如权利要求21所述的光阑座和电子检测器的组合装置，其特征在于所述电子检测器包括一个基座部分和一个管茎部分，所述管茎部分安装并夹持在所述绝缘装置的所述出口内。
23、一种用于环境扫描电子显微镜的物镜组件和光阑座的组合装置，包括：
（a）一个基本上是圆柱形的物镜组件的磁屏蔽罩，包括一个轴向设置的真空衬管和用于对通过所述衬管的电子束进行磁聚焦的装置;
（b）一个由磁性材料制成的轮状圆环，靠在所述磁屏蔽罩的下端，其中至少包括有两个彼此轴向设置的孔;
（c）至少两个由非磁性材料组成的环状孔板和一个终端磁性环状孔板，上述孔板附装在所述轮状圆环的轴向不同位置上并向其内部延伸，所述孔板至少确定两个内部通道，每个通道连通所述轮状圆环中所述孔之中的一个。
（d）一个光阑座和电子检测器的组合装置，以可拆卸的方式安装并密封在所述终端环状极片的中心孔内，而所述孔板之一包括：
（ⅰ）一个具有导管的主体，所述主体适合于以可拆卸的方式安装并密封在所述物镜组件中的一个凹槽里;
（ⅱ）一个在所述导管下端中的下部光阑，其尺寸可使得一束电子束穿过，并限制气体从所述环境扫描电子显微镜的样品室进入下部光阑的上面的区域;
（ⅲ）一个在所述下部光阑上面的所述主体里的孔，所述孔连通所述导管和所述物镜组件中的下部内部通道;
（ⅳ）一个在所述导管中的上部光阑，位于所述下部光阑和所述孔的上面，所述上部光阑的尺寸使得电子束可以穿过并限制气体从所述导管进入所述物镜组件内的上部内部通道。
24、一种用于环境扫描电子显微镜的物镜组件、光阑座和检测器的组合装置，包括：
（a）一个基本上是圆柱状的物镜磁屏蔽罩，包括一个轴向设置的真空衬管和用于对穿过所述衬管的电子束进行磁聚焦的装置;
（b）一个由磁性材料构成的上部轮状圆环，靠在所述磁屏蔽罩的一端;一个由磁性材料构成的下部轮状圆环，紧靠在所述第一个环上;所述环的每一个都具有多个沿其四周设置的孔;
（ⅰ）一个由非磁性材料构成的上部环状孔板，安装并密封于所述上部圆环的上部并且向其内部延伸，所述上部孔板具有一个安装所述真空衬管的中心套管;
（ⅱ）一个由非磁性材料构成的中间环状孔板，安装并密封于所述上部圆环的下部并且向其内部延伸;
（ⅲ）一个由非磁性材料构成的下部环状孔板，安装并密封于所述下部圆环中并且向其内部延伸，并且还包括有一个所述物镜组件的终端极片，所述上部和中间孔板确定了一个上部内部通道，该通道在其圆周上与所述上部圆环的一系列孔连通，而所述中间和下部孔板确定了一个下部内部通道，该通道在其圆周上与所述下部圆环的一系列孔连通;
（c）一个光阑座和电子检测器的组合装置，以可拆卸的方式安装并密封在所述下部和中间环状孔板的中心孔内，并且包括：
（ⅰ）一个有一导管的主体，所述主体适合于以可拆卸的方式安装并密封在所述物镜组件的一个凹槽里;
（ⅱ）一个在所述导管下端的下部光阑，其尺寸使得电子束可穿过并限制气体从所述环境扫描电子显微镜的样品室进入所述下部光阑的上面的区域;
（ⅲ）一个在所述主体内的位于下部光阑之上的孔，所述孔连通所述导管和所述物镜组件中下部内部通道;
（ⅳ）一个在所述导管内的上部光阑，位于所述下部光阑和所述孔的上方，所述上部光阑的尺寸使得一束电子束可穿过并限制气体从所述导管进入所述物镜组件中的上部内部通道;
（ⅴ）一个电子检测器，位于所述主体的下端并在那里用绝缘装置隔开。
25、一种经过改进的环境扫描电子显微镜，包括：
（a）用于产生和向一个样品发射电子束的装置;
（b）一个物镜组件和光阑座的组合装置，包括：
（ⅰ）一个基本上是圆柱形的物镜磁屏蔽罩，包括一个轴向设置的真空衬管和用于对穿过所述衬管的电子束进行磁聚焦的装置;
（ⅱ）一个由磁性材料构成的轮状圆环，靠在所述磁屏蔽罩的下端，并包括至少两个在其中彼此轴向设置的孔;
（ⅲ）至少两个由非磁性材料制成的环状孔板和一个终端磁性孔板，上述孔板安装在所述轮状圆环的不同轴向位置上并向其内部延伸，所述孔板至少确定了两个内部通道，每个通道连通所述轮状圆环内的所述孔之一;
（ⅳ）一个光阑座和电子检测器的组合装置，以可拆卸的方式安装并密封在所述磁性孔板和所述非磁性孔板之一的中心孔里，并包括：
一个具有一导管的主体，所述主体适合于以可拆卸的方式安装并密封在所述物镜组件内的一个凹槽里;
一个在所述导管下端内的下部光阑，其尺寸使得电子束可穿过并限制气体从所述环境扫描电子显微镜的样品室进入所述下部光阑上方的区域;
一个在所述主体内位于所述下部光阑上方的孔，所述孔连通所述导管和所述物镜组件中的下部内部通道;
一个在所述导管内的上部光阑，位于所述下部光阑和所述孔的上方，其尺寸可使电子束穿过并限制气体从所述导管进入所述物镜组件内的上部内部通道;
（c）一个位于所述物镜下方的样品室，所述样品室能保持包含在气体中的样品对准所述下部光阑，使得所述样品的一个表面可暴露给被聚焦的电子束;
（d）一个样品架，安装在样品室内，用于支撑样品，以便使被聚焦的电子束与所述样品相互作用;
（e）为检测相互作用所产生的电子而设置的电子检测装置。
26、如权利要求25所述的经过改进的环境扫描电子显微镜，进一步包括有用于记录被所述检测器所检测到的信息的装置。
27、如权利要求26所述的经过改进的环境扫描电子显微镜，其特征在于所述记录装置包括一个接收所述检测装置所收集的电流的电流放大器，所述电流放大器自动调节在所述检测器的偏压并在全频带宽度与接地视频电路耦合。
28、一种用于环境扫描电子显微镜的物镜组件，包括用于产生并使电子束穿过所述组件中心孔的装置和一个至少具有两个限压光阑的光阑座，所述光阑座以可拆卸的方式密封于所述组件的中心孔之内。
29、如权利要求28所述的物镜组件，其特征在于所述光阑座以可拆卸的方式卡在一个终端磁性极片上。
30、一种用于环境扫描电子显微镜的物镜组件，包括一个差压抽气光阑系统，该系统被置于所述物镜组件内并确定了一系列通过电子束的压强室;还包括一个至少具有两个限压光阑并置于所述物镜组件之中的光阑座，所述光阑座可连通所述差压抽气光阑系统的各压强室。
31、一种经过改进的环境扫描电子显微镜，包括一个物镜组件，该物镜组件具有用于产生和使电子束穿过所述组件中心孔的装置以及一个具有至少两个限压光阑的光阑座，所述光阑座以可拆卸的方式卡在所述物镜组件的所述中心孔内。
32、一种经过改进的环境扫描电子显微镜，包括一个物镜组件，该物镜组件具有一个置于所述物镜组件内并确定一系列有电子束穿过的压强室的差压抽气光阑系统，还包括一个至少具有两个限压光阑并置于所述物镜组件内的光阑座，所述光阑座可连通所述差压抽气光阑系统的各压强室。
33、一种适于置入环境扫描电子显微镜的真空环境的光阑座，包括一个有电子束穿过的导管以及在所述导管相对的两端的两个限压光阑，还包括在所述导管里的能连通所述真空环境的孔装置。
34、一种适于置入环境扫描电子束显微镜的真空环境的光阑座，包括一个有电子束穿过的导管以及在所述导管相对的两端的两个限压光阑，还包括在所述导管里的能连通所述真空环境的孔装置，所述光阑座具有一个与所述限压光阑之一构成整体的电子检测装置。
35、一种用于环境扫描电子显微镜的物镜组件，包括：
（a）一个基本上是圆柱形的物镜磁屏蔽罩，该磁屏蔽罩包括一个轴向设置的真空衬管和用于对穿过所述衬管的电子束进行磁聚焦的装置，所述屏蔽罩上具有一抽气孔;
（b）一个由非磁性材料构成的环状孔板和一个终端磁性环状孔板，所述孔板安装在屏蔽罩的不同轴向位置上并向其内部延伸，所述孔板确定了一个连通所述抽气孔的内部通道;
（c）位于所述孔板的中心孔内的光阑装置，可使所述电子束从所述真空衬管进入所述内部通道，然后进入所述环境扫描电子显微镜的样品室，并限制气体分子从所述样品室进入所述内部通道。
36、一种用于环境扫描电子显微镜的物镜组件，包括：
（a）一个基本上是圆柱形的物镜磁屏蔽罩，该屏蔽罩包括一个轴向设置的真空衬管和用于对穿过所述衬管的电子束进行磁聚焦的装置;
（b）一个由磁性材料构成的轮状圆环，靠在所述磁屏蔽罩的下端，还包括一个抽气孔;
（c）一个由非磁性材料构成的环状孔板和一个终端磁性环状孔板，安装在所述磁屏蔽罩的不同的轴向位置上并向其内部延伸，所述孔板确定了一个连通所述抽气孔的内部通道;
（d）一个光阑座和电子检测器的组合装置，以可拆卸的方式安装并密封在所述孔板的中心孔内，所述光阑座具有多个光阑，用于使电子束和气体进出所述环境扫描电子显微镜的样品室和所述内部通道，所述光阑座还具有同其下部结合在一起的电子检测器装置，所述检测器装置与所述光阑座的主体绝缘。
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