CN105006416B - 一种扫描电镜探针电流检测装置和一种扫描电镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扫描电镜探针电流检测装置和一种扫描电镜，其中的扫描单元在正扫阶段时，偏转单元控制其中的电子束不发生偏转，检测电路不进行电子束的采样操作，此时电子束正常通过镜筒，打到样品表面，实现对样品的成像。扫描单元在回扫阶段时，偏转单元控制其中的电子束发生偏转，检测电路进行电子束的采样操作，由此得到探针电流的数值。这一过程完全不需要移动样品台进行。由于回扫阶段电子束不参与成像，所以利用回扫阶段进行探针电流检测不会中断扫描电镜的图像采集，在电镜图像采集的同时实时检测探针电流的变化，高效地完成进行探针电流检测。同时由于探针电流检测不需要移动样品台进行，因此对样品台的精度要求可以有所降低。

Description

一种扫描电镜探针电流检测装置和一种扫描电镜

技术领域

本发明涉及电子光学技术领域，特别涉及一种扫描电镜探针电流检测装置和一种扫描电镜。

背景技术

扫描电子显微镜，简称扫描电镜是一种电子光学仪器，利用聚焦电子束在样品表面进行逐行扫描，电子束轰击样品表面产生二次电子或背散射电子的效率与样品的表面形貌或材料相关。收集样品表面产生的二次电子或背散射电子，将样品表面电子束扫描的位置和产生的二次电子或背散射电子的数量用二维图像的形式表示，即得到扫描电镜的二次电子图像或背散射电子图像。扫描电镜图像的分辨率可达到纳米级甚至优于1.0纳米，在新材料、新能源、国防、科学研究等领域起着无法替代的作用。

在扫描电镜的某些应用中，电子显微镜需要对样品进行长时间、大范围、多区域成像，尤其是使用背散射探测器成像时，图像的亮度代表了元素的原子序数。在这些应用中，探针电流由于灯丝寿命、温度变化等因素会随时间变化，造成图像亮度改变，不利于在长时间内采集的多幅图像的比较。所以需要在长时间图像采集的过程中，每隔一段时间，进行探针电流的检测，并在对采集到的图像进行处理时，将探针电流变化带来的的影响消除。

扫描电镜的原理框图如图1所示，扫描电镜中电子束发生器发出的电子束经过扫描单元控制其偏转，偏转后的电子束照射在样品台的样品上，对样品进行二维扫描，实现成像功能。其中二维扫描的过程分为正扫和回扫两个过程，在回扫阶段电子束不参与成像。照射在样品上电子束的电流称为探针电流。

法拉第杯安装在样品台上，因为样品的尺寸较大，而电子束的偏转范围有限，所以在进行探针电流检测时，需要移动样品台，将被测样品移走，将法拉第杯移至电子束下方，使电子束穿过法拉第杯上的小孔，由法拉第杯收集的电子，流经样品台和皮安计至地时，探针电流由皮安计测量得到。

在对样品进行长时间、大范围、多区域成像时，使用这种方法检测探针电流需要反复移动样品台，费时费力，效率极低，且对样品台的重复定位精度有较高的要求。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的扫描电镜中检测探针电流效率低，且对样品台的精度要求极高。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种扫描电镜探针电流检测装置，设置于扫描电镜的镜筒内，包括，主控制器，偏转单元、法拉第杯和检测电路，其中：

所述偏转单元，设置于电子束发生器和扫描单元之间，接收电子束发生器射出的电子束，控制电子束是否发生偏转；

所述法拉第杯，设置于所述偏转单元输出的电子束的偏转方向上，收集偏转的电子束；

所述检测电路，用于对所述法拉第杯中收集的电子束进行检测；

所述主控制器，用于控制所述偏转单元、所述法拉第杯和所述扫描单元的工作状态，以实现：

所述扫描单元在正扫阶段时，所述偏转单元控制其中的电子束不发生偏转；

所述扫描单元在回扫阶段时，所述偏转单元控制其中的电子束发生偏转。

所述的扫描电镜探针电流检测装置，所述偏转单元包括采用静电偏转的偏转电极和控制所述偏转电极的驱动电路；

在所述主控制器的控制下，所述驱动电路在对样品正扫阶段时控制偏转电极的偏转电势为零；在对样品回扫阶段时控制偏转电极的偏转电势不为零。

所述的扫描电镜探针电流检测装置，所述主控制器采用FPGA控制单元。

本发明还提供一种扫描电镜，包括上述的扫描电镜探针电流检测装置，以及电子束发生器和扫描单元；

所述电子束发生器用于产生并射出电子束；

所述扫描单元用于控制进入其内的电子束发生偏转，对样品台上的样品进行二维扫描。

所述的扫描电镜，所述电子束发生器包括电子枪、聚光镜和活动光阑；

所述电子枪产生电子束；

所述聚光镜对所述电子枪产生的电子束进行汇聚后发射至活动光阑；

所述活动光阑对电子束的孔径角进行限制。

所述的扫描电镜，所述扫描单元包括物镜和偏转线圈；

所述物镜对电子束进行汇聚；

所述偏转线圈控制进入其内部的电子束进行偏转。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的扫描电镜探针电流检测装置及扫描电镜，其中的扫描单元在正扫阶段时，偏转单元控制其中的电子束不发生偏转，检测电路不进行电子束的采样操作，此时电子束正常通过镜筒，打到样品表面，实现对 样品的成像。扫描单元在回扫阶段时，偏转单元控制其中的电子束发生偏转，检测电路进行电子束的采样操作，由此得到探针电流的数值。这一过程完全不需要移动样品台进行。上述方案通过控制电子束扫描和探针电流检测的时序，可以实现在电子束帧扫描或行扫描的回扫时间内，进行探针电流检测。在扫描电镜中，回扫阶段电子束不参与成像，所以利用回扫阶段进行探针电流检测不会中断扫描电镜的图像采集，在电镜图像采集的同时实时检测探针电流的变化，高效地完成进行探针电流检测。同时由于探针电流检测不需要移动样品台进行，因此对样品台的精度要求可以有所降低。

(2)本发明所述的扫描电镜探针电流检测装置及扫描电镜，偏转单元包括采用静电偏转的偏转电极和控制偏转电极的驱动电路，在主控制器的控制下，驱动电路在对样品正扫阶段时控制偏转电极的偏转电势为零；在对样品回扫阶段时控制偏转偏转电极的电势不为零。采用静电偏转，在电极驱动电路的控制下，偏转电极间电场的建立和消隐的速度很快，所以电子束在偏转电极的控制下偏转和归位的弛豫时间很短，电子束可以以很高的频率在成像状态和探针电流检测状态间切换。

(3)本发明所述的扫描电镜探针电流检测装置及扫描电镜，其中扫描电镜中包括聚光镜和物镜，可以实现对电子束进行汇聚，还包括活动光阑，用于实现限制电子束孔径角。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是现有技术中扫描电镜的原理框图；

图2是本发明一个实施例所述的扫描电镜探针电流检测装置的原理框图；

图3是本发明一个实施例所述的扫描电镜探针电流检测装置的控制电路的原理框图；

图4是本发明一个实施例所述的扫描电镜的结构示意图；

图5是本发明一个实施例所述探针电流检测的时序图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种扫描电镜探针电流检测装置，设置于扫描电镜的镜筒内，如图2所示，其包括，主控制器201，偏转单元202、法拉第杯203和检测电路204，其中：

所述偏转单元202，设置于电子束发生器和扫描单元之间，接收电子束发生器射出的电子束，控制电子束是否发生偏转。

所述法拉第杯203，设置于所述偏转单元输出的电子束的偏转方向上，收集偏转的电子束。

所述检测电路204，用于对所述法拉第杯203中收集的电子束进行检测。

所述主控制器201，用于控制所述偏转单元202、所述法拉第杯203和所述扫描单元205的工作状态，以实现：

所述扫描单元205在正扫阶段时，所述偏转单元202控制其中的电子束不发生偏转。

所述扫描单元205在回扫阶段时，所述偏转单元202控制其中的电子束发生偏转。

本实施例中的上述方案，所述扫描单元205在正扫阶段时，所述偏转单元202控制其中的电子束不发生偏转，所述检测电路204不进行电子束的采样操作，此时电子束正常通过镜筒，打到样品表面，实现对样品的成像。所述扫描单元205在回扫阶段时，所述偏转单元202控制其中的电子束发生偏转，所述检测电路204进行电子束的采样操作，由此得到探针电流的数值。上述过程完全不需要移动样品台即可实现对探针电流的检测。该方案通过控制电子束扫描和探针电流检测的时序，可以实现在电子束帧扫描或行扫描的回扫时间内，进行探针电流检测。在扫描电镜中，回扫阶段电子束不参与成像，所以利用回扫阶段进行探针电流检测不会中断扫描电镜的图像采集，在电镜图像采集的同时实时检测探针电流的变化，提高探针电流检测的效率。同时由于探针电流检测不需要移动样品台进行，因此对样品台的精度要求可以有所降低。

作为一种可实现的方案，如图3所示，上述的扫描电镜探针电流检测装置中，所述偏转单元202包括采用静电偏转的偏转电极2021和控制所述偏转电极2021的驱动电路2022。其中所述主控制器201选择FPGA控制单元。FPGA作为主控制器负责控制所述扫描模块205产生扫描波形、驱动电路2022和检测电路204的时序。根据图5的时序所示，在电子束回扫的阶段，FPGA控制驱动电路2022中的电子开关闭合，驱动电路2022中的电源与偏转电极相连，在偏转电极2021之间建立横向电场。电子束在电场的作用下产生偏转，偏转的电子束入射镜筒内法拉第杯203中，产生的电流经过检测电路204的传感电阻，在传感电阻两端产生电压，电压经过放大后由转换器进行采集得到数字信号。通过FPGA的时序控制，经过准确的延时，使得转换器采集得到的数值为准确的探针电流值。在电子束回扫的阶段结束前，关闭驱动电路2022内的电子开关，偏转电极2021上的电荷通过电阻对地释放，此时偏转电极2021之间的电场消失，待电子束正扫阶段开始时，电子束完成归位，等待下一帧扫描开始。采用静电偏转，在驱动电路2022的控制下，偏转电极2021间电场的建立和消隐的速度很快，所以电子束在偏转电极2021的控制下偏转和归位的弛豫时间很短，电子束可以以很高的频率在成像状态和探针电流检测状态间切换。

实施例2

本实施例提供一种扫描电镜，包括实施例1提供的扫描电镜探针电流检测装置，以及电子束发生器和扫描单元。其中所述电子束发生器用于产生并 射出电子束，所述扫描单元用于控制进入其内的电子束发生偏转，对样品台上的样品进行二维扫描。具体地，如图4所示，所述电子束发生器包括电子枪401、聚光镜402和活动光阑403。所述电子枪401产生电子束，所述聚光镜402对所述电子枪401产生的电子束进行汇聚后发射至活动光阑403，所述活动光阑403对电子束的孔径角进行限制。所述扫描单元包括物镜408和偏转线圈409，所述物镜408对电子束进行汇聚，所述偏转线圈409控制进入其内部的电子束进行偏转。具体工作时：

在扫描波形的正扫阶段，驱动电路406控制偏转电极404的电势差为0，此时电子束通过电镜光轴中心打在样品411表面，进行成像；在扫描波形的回扫阶段，在驱动电路406的控制下，偏转电极404两端产生电势差，电子束在偏转电极404电场的作用下产生偏转并入射镜筒内法拉第杯405；在回扫阶段结束前，偏转电极404电势差归零，电子束回到中心位置，等待下一帧的扫描。在上述过程中，检测电路407检测得到的电流变化如图5所示，当偏转电场建立完成后，此时检测到的电流为探针电流，选取合适时刻进行探针电流采样，量化后得到探针电流的数值。上述过程无需对样品台410进行移动，在扫描电镜中，回扫阶段电子束不参与成像，所以利用回扫阶段进行探针电流检测不会中断扫描电镜的图像采集，在电镜图像采集的同时实时检测探针电流的变化。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

Claims (5)

1.一种扫描电镜，其特征在于，包括扫描电镜探针电流检测装置，以及电子束发生器和扫描单元；

所述电子束发生器用于产生并射出电子束；

所述扫描单元用于控制进入其内的电子束发生偏转，对样品台上的样品进行二维扫描；

所述扫描电镜探针电流检测装置设置于扫描电镜的镜筒内，包括，主控制器，偏转单元、法拉第杯和检测电路，其中：

所述偏转单元，设置于电子束发生器和扫描单元之间，接收电子束发生器射出的电子束，控制电子束是否发生偏转；

所述法拉第杯，设置于所述偏转单元输出的电子束的偏转方向上，收集偏转的电子束；

所述检测电路，用于对所述法拉第杯中收集的电子束进行检测；

所述主控制器，用于控制所述偏转单元、所述法拉第杯和所述扫描单元的工作状态，以实现：

所述扫描单元在正扫阶段时，所述偏转单元控制其中的电子束不发生偏转；

所述扫描单元在回扫阶段时，所述偏转单元控制其中的电子束发生偏转；

所述扫描单元从回扫阶段转换为正扫阶段的时间节点与所述偏转单元控制其中的电子束从发生偏转转换为不发生偏转的时间节点之间具有时间差。

2.根据权利要求1所述的扫描电镜，其特征在于：所述扫描电镜探针电流检测装置中：

所述偏转单元包括采用静电偏转的偏转电极和控制所述偏转电极的驱动电路；

在所述主控制器的控制下，所述驱动电路在对样品正扫阶段时控制偏转电极的偏转电势为零；在对样品回扫阶段时控制偏转电极的偏转电势不为零。

3.根据权利要求1所述的扫描电镜，其特征在于：

所述主控制器采用FPGA控制单元。

4.根据权利要求3所述的扫描电镜，其特征在于：

所述电子束发生器包括电子枪、聚光镜和活动光阑；

所述电子枪产生电子束；

所述聚光镜对所述电子枪产生的电子束进行汇聚后发射至活动光阑；

所述活动光阑对电子束的孔径角进行限制。

5.根据权利要求4所述的扫描电镜，其特征在于：

所述扫描单元包括物镜和偏转线圈；

所述物镜对电子束进行汇聚；

所述偏转线圈控制进入其内部的电子束进行偏转。