CN107342205A - 一种带电粒子探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带电粒子的探测装置，该带电粒子探测装置包括：网格电极，用于吸引带电粒子；转换电极，用于会聚带电粒子，以及当所述带电粒子为二次离子时，将所述二次离子转换为二次电子，其中，所述转换电极的粒子入口的面积小于粒子出口的面积；电子探测单元，用于吸收二次电子并将探测信号放大输出；屏蔽外壳。根据本发明的带电粒子探测装置，能够大大提高对来自样品的二次离子和二次电子的探测效率，且结构简单，易于实现，能够大大降低制作难度和成本。
Description
技术领域
本发明涉及带电粒子成像和分析加工设备领域，尤其涉及一种带电粒子探测装置。
背景技术
带电粒子成像和分析加工设备利用带电荷的高能粒子(电子或者离子)对待测样品进行成像和加工，如扫描电子显微镜(ScanningElectron Microscope，简称SEM)、聚焦离子束(Focused Ion Beam，简称FIB)、以及聚焦离子束与扫描电子显微镜组成的双束设备等。
图1为现有技术中典型的聚焦离子束或者电子束设备的结构示意图，其中，粒子源101(如电子源或者离子源)在会聚组合透镜102的作用下会聚成高能的微细束104，并在扫描偏转器103的作用下，对样品105表面进行微区的逐点逐行扫描，微细束104轰击到检测样品105会产生二次粒子(如微细束104为电子时能激发出二次电子、背散射电子、俄歇电子、X射线等二次粒子，如微细束104为离子时能激发出二次电子、二次离子和中性粒子等二次粒子)，轰击样品105所产生的二次粒子107被吸引到探测器106。当所述二次粒子为二次电子或者二次离子时，所述探测器106可为E-T探测器(Everhart-Thornley detector)或者MCP(Micro-Channel Plate)探测器等，用于吸收二次粒子并转化成电信号，该电信号经过放大处理，最后转化为电压值并与颜色灰度值对应进而形成显示图像。
以探测器106为E-T探测器为例，图2为典型的E-T探测器构造图。对于二次电子探测模式来说，微细束轰击样品，产生的二次电子被处于正偏压的网格电极201吸引，然后进一步被处于较高正偏压的闪烁器202(Scintillator)(一般电压约为+10kV)加速并与其发生碰撞，随即高能二次电子被闪烁器转化为光子，光子通过光导管203进入光电倍增管204(Photomultiplier Tube，简称PMT)，最终将探测信号放大输出。对于二次离子探测模式来说，需要将网格电极201和闪烁器202的电位极性设为正或者负电位，在上述两者电场的作用下，样品产生的二次离子能够轰击到闪烁器202上并转化为光子，从而进行后续的信号放大。然而，由于现有的闪烁器将离子转化为光子的效率极低甚至有时不会产生光子，另外离子与电子相比具有更大的质量，同样能量的二次离子与闪烁器碰撞时会对闪烁器产生较大的损伤而大大缩短使用寿命，因此，E-T探测器对二次离子的探测效率通常极低，一般不采用E-T探测器来探测二次离子信号。
由于探测器对来自样品的二次粒子的探测效率严重影响了样品的成像和加工效果，并且，二次离子像相比于二次电子像具有更高对比度，更有利于分析待测样品表面不同元素的分布，因此，有必要改进现有的探测器以提高对二次粒子，尤其是二次离子的探测效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种带电粒子探测装置，该带电粒子探测装置所探测的带电粒子为入射束(如聚焦离子束或电子束)与样品作用所产生的二次离子(本发明中的二次离子指的是正电荷二次离子)或二次电子。
根据本发明的一个方面，提供一种带电粒子探测装置，其中，该带电粒子探测装置包括：
网格电极，用于吸引带电粒子；
转换电极，用于会聚带电粒子，以及当所述带电粒子为二次离子时，将所述二次离子转换为二次电子，其中，所述转换电极的粒子入口的面积小于粒子出口的面积；
电子探测单元，用于吸收二次电子并将探测信号放大输出；
屏蔽外壳。
与现有技术相比，本发明的带电粒子探测装置具有以下优点：能够大大提高对来自样品的二次离子和二次电子的探测效率，且结构简单，易于实现，能够大大降低制作难度和成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有技术中典型的聚焦离子束或者电子束设备的结构示意图；
图2为现有技术中典型的E-T探测器构造图；
图3为本发明一个示例的带电粒子探测装置的剖面示意图；
图4为本发明另一个示例的带电粒子探测装置的剖面示意图；
图5为本发明再一个示例的带电粒子探测装置的剖面示意图；
图6a为基于图4的带电粒子探测装置对二次离子进行探测时二次离子被转换为二次电子前的模拟运动轨迹；
图6b为基于图4的带电粒子探测装置对二次离子进行探测时，在二次离子转换为二次电子后，二次电子的模拟运动轨迹；
图7为本发明一个示例的基于图4的带电粒子探测装置在二次离子探测模式下的电场分布图；
图8为基于图4的带电粒子探测装置对二次电子进行探测时所述二次电子的模拟运动轨迹；
图9为本发明一个示例的基于图4的带电粒子探测装置在二次电子探测模式下的电场分布图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明提供了一种用于探测二次离子和二次电子的带电粒子探测装置。
所述带电粒子探测装置包括：
网格电极，用于吸引带电粒子；
转换电极，用于会聚带电粒子，以及当所述带电粒子为二次离子时，将所述二次离子转换为二次电子，其中，所述转换电极的粒子入口(也即靠近网格电极一侧的开口)的面积小于粒子出口(也即靠近电子探测电源一侧的开口)的面积；
电子探测单元，用于吸收二次电子并将探测信号放大输出；
屏蔽外壳。
其中，所述带电粒子探测装置的中心轴线的方向与入射束的方向成一定方位角。
优选地，所述网格电极、转换电极、电子探测单元同轴放置，以使带电粒子探测装置的结构简单，易于实现，且与非同轴放置的情形相比具有更高的探测效率。
其中，所述转换电极采用具有较高的离子到二次电子的转换效率的材料，优选地，所述转化电极的材料包括但不限于：氧化铝、铝、铍铜等。
其中，所述转换电极可为靠近网格电极一侧的粒子入口的面积小于靠近电子探测器一侧的粒子出口的面积的任何形状，例如，截锥体、被截的半球体或多面体、截锥体与圆柱体(也即圆筒)的结合、被截的半球体与圆柱体的结合等。优选地，当转换电极为截锥体或者截锥体与圆柱体的结合形状时，截锥体的侧边与轴线之间的夹角大于等于20°且小于90°；优选地，截锥体的轴线也即带电粒子探测装置的中心轴线。
需要说明的是，由于转换电极的粒子入口的面积小于其粒子出口的面积，使得转换电极具有极高的粒子吸收率，且当带电粒子为二次离子时，能够有效避免转换后得到的二次电子丢失，也即能够保证转换后得到的二次电子被电子探测单元吸收。
优选地，带电粒子探测装置被设置为通过切换所述网格电极和转换电极上的电位极性，来检测不同类型的带电粒子。
例如，当带电粒子为正电荷二次离子时(也即正电荷二次离子探测模式下)，将网格电极的电压切换为-50V到-400V，转换电极的电压切换为-2kV到-3kV。
又例如，当带电粒子为二次电子时(也即二次电子探测模式下)，将网格电极的电压切换为+50V到+200V，转换电极的电压切换为0V到+500V。
需要说明的是，本发明中所提及的所有电压数值均是以待测样品的电势作为参考电势而得到的，在后续实施例中将不再赘述。
其中，所述电子探测单元用于吸收从转换电极的粒子出口穿出的二次电子并将探测信号放大输出，当来自样品的带电粒子为二次离子时，所述电子探测单元所吸收的二次电子为经转换电极转换后的二次电子；当来自样品的带电粒子为二次电子时，所述电子探测单元所吸收的二次电子为来自样品的二次电子。
作为一种优选方案，所述电子探测单元包括：
闪烁器，用于吸收二次电子并将二次电子转换为光子；
光导管，用于将所述闪烁器中产生的光子导出至光电倍增管；
光电倍增管，用于进行光电转换并将探测信号放大输出。
其中，所述闪烁器位于屏蔽外壳内部，所述光导管可部分或全部位于外壳内部。
作为另一种优选方案，所述电子探测单元为半导体基探测器或MCP探测器。
具体地，带电粒子探测装置对带电粒子进行探测的过程中，带电粒子的运动轨迹如下：当带电粒子为正电荷二次离子时，所述二次离子在穿过所述网格电极后从所述转换电极的粒子入口进入，且通过轰击所述转换电极的内表面被转换为二次电子，转换后的二次电子从所述转换电极的粒子出口穿出且被所述电子探测单元吸收；当带电粒子为二次电子时，所述二次电子在穿过所述网格电极后从所述转换电极的粒子入口进入，并从转换电极的粒子出口穿出且被电子探测单元吸收。
根据本实施例的带电粒子探测装置对带电粒子的探测效率大于等于90％；当带电粒子为二次电子时，所述带电粒子探测装置对二次电子的探测效率大于等于99％。
根据本实施例的带电粒子探测装置，能够实现对带电粒子，如来自样品的二次离子和二次电子的高效探测，且结构简单，易于实现，能够大大降低制作难度和成本，同时具有较高的探测稳定性。
图3为本发明一个示例的带电粒子探测装置的剖面示意图。需要说明的是，图3为经过带电粒子探测装置的中心轴线307的剖面示意图。其中，所述带电粒子探测装置包括网格电极301、转换电极302、电子探测单元、屏蔽外壳303。其中，所述电子探测单元包括闪烁器304、光导管305、光电倍增管306。其中，所述网格电极301、转换电极302、电子探测单元以中心轴线307为轴同轴放置。
其中，所述转换电极302为截锥体，所述截锥体的侧边与带电粒子探测装置的中心轴线307(也相当于截锥体的轴线)之间的夹角θ1为20°；其中，截锥体剖面的两个侧边以中心轴线307为轴相对称。图3中箭头指向的部分示意性地示出了转换电极302的结构，同时示出了θ1的定义；其中，粒子入口为转换电极302的靠近网格电极301的上方开口，该粒子入口为圆形，其面积为S1；其中，粒子出口为转换电极302的靠近闪烁器304的下方开口，该粒子出口为圆形，其面积为S2，且S1<S2。
以正电荷二次离子探测模式为例，网格电极301的电压被设置在-50V到-400V的电压范围内，转换电极302的电压被设置在-2kV到-3kV的电压范围内，闪烁器304的电压被设置在+7kV到+12kV的电压范围内。来自样品的正电荷二次离子在网格电极301的电场作用下朝向网格电极301运动，穿过网格电极301后被转换电极302进一步加速从转换电极302的粒子入口进入，并轰击转换电极302的内表面而激发出二次电子，从而完成二次离子到二次电子的转换，转换后的二次电子从转换电极302的粒子出口穿出，且被吸引到处于正电压的闪烁器304并产生出光子，光子经光导管305传到光电倍增管306进行光电转换并将探测信号放大输出。
以二次电子探测模式为例，将网格电极301的电压设置在+50V到+200V的电压范围内，转换电极302的电压设置在0V到+500V电压范围内，保持闪烁器304电压在+7kV到+12kV的电压范围内，来自样品的二次电子在网格电极301的电场作用下朝向网格电极301运动，穿过网格电极301后从转换电极302的粒子入口进入，然后直接从转换电极302的粒子出口穿出，且被吸引到处于正电压的闪烁器304并产生出光子，光子经光导管305传到光电倍增管306进行光电转换并将探测信号放大输出。
现有技术中，由于现有的闪烁器将离子转化为光子的效率极低甚至有时不会产生光子，另外离子与电子相比具有更大的质量，同样的能量的二次离子与闪烁器碰撞时会对闪烁器产生较大的损伤而大大缩短使用寿命，因此，一般不采用E-T探测器来直接探测二次离子。
而根据本实施的带电粒子探测装置，增强了对二次离子的会聚效率以及转换效率，且避免了二次离子直接与闪烁器碰撞时可能给闪烁器带来的损伤，使得在大大提高对二次离子的探测效率的同时还延长了闪烁器的使用寿命，且同时也进一步提高了对二次电子的探测效率。
图4为本发明另一个示例的带电粒子探测装置的剖面示意图。需要说明的是，图4为经过带电粒子探测装置的中心轴线407的剖面示意图。其中，所述带电粒子探测装置包括网格电极401、转换电极402、电子探测单元、屏蔽外壳403。其中，所述电子探测单元包括闪烁器404、光导管405、光电倍增管406。其中，所述网格电极401、转换电极402、电子探测单元以中心轴线407为轴同轴放置。
其中，所述转换电极402为截锥体和圆柱体结合的形状，靠近网格电极401一侧为截锥体，靠近闪烁器404一侧为圆柱体，所述截锥体的侧边与带电粒子探测装置的中心轴线407之间的夹角为θ2；其中，所述圆柱体可起到稳定所述截锥体的作用，以使转换电极的结构更加稳定，以保持其具有较高的探测效率。图4中箭头指向的部分示意性地示出了转换电极402的结构，同时示出了θ2的定义；其中，粒子入口为转换电极402的靠近网格电极401的上方开口，该粒子入口为圆形，其面积为S3；其中，粒子出口为转换电极402的靠近闪烁器404的下方开口，该粒子出口为圆形，其面积为S4，且S3<S4。
基于图4所示的带电粒子探测装置对带电粒子进行探测的过程与基于图3所示的带电粒子探测装置对带电粒子进行探测的过程相似，在此不再赘述。以下基于带电粒子的模拟轨迹来进一步说明。
在正电荷二次离子探测模式下，以二次Si+离子为例，网格电极401的电压被设置在-50V到-400V的电压范围内，转换电极402的电压被设置在-2kV到-3kV的电压范围内，闪烁器404的电压被设置在+7kV到+12kV的电压范围内，在、网格电极401、转换电极402和闪烁器404的共同作用下，二次Si+离子被加速吸引到转换电极402的内表面上，二次Si+离子在该过程中的运动轨迹如图6a中所示的轨迹601，此时带电粒子探测装置的探测效率为96％；接着，二次Si+离子轰击转换电极402内侧所激发出的二次电子被闪烁器404捕获，二次电子的运动轨迹如图6b中所示的轨迹602，此时带电粒子探测装置的探测效率为94％。需要说明的是，图6a和图6b仅标示出了图4所示的带电粒子探测装置的部分单元。
需要说明的是，由于转换电极402靠近网格电极401一端的剖面为斜面形状，该倾斜形状的转换电极402与闪烁器404一同形成会聚的电场，从而保证了二次离子激发出来的二次电子能够高效率地被偏转至闪烁器404中心。若仅考虑一个正离子激发一个二次电子，则图4所示带电粒子探测装置针对二次离子的探测效率为90％。
其中，图7所示为一个示例的基于图4的带电粒子探测装置在二次离子探测模式下的电场分布图，其示出了电场中的等势线。
在二次电子探测模式下，网格电极401的电压被设置在+50V到+200V的电压范围内，转换电极402的电压被设置在0V到+500V的电压范围内，闪烁器404的电压被设置在+7kV到+12kV的电压范围内。图8示出了在图4所示带电粒子探测装置对二次电子进行探测时的模拟运动轨迹。从图8中可看出，来自样品表面的二次电子通过网格电极401和转换电极402最终被吸引到闪烁器404的中心，二次电子的运动轨迹如图8所示的轨迹801，该情形下带电粒子探测装置的探测效率为99％。需要说明的是，图8仅标示出了图4所示的带电粒子探测装置的部分单元。
其中，图9所示为一个示例的基于图4的带电粒子探测装置在二次电子探测模式下的电场分布图，其示出了电场中的等势线。
需要说明的是，图6a中的轨迹601、图6b中的轨迹602以及图8中的轨迹801仅为模拟运动轨迹，本领域技术人员应能理解，在模拟运动轨迹的密集程度较高处，其在视觉上可能出现类似填充(也即无法在视觉上分辨出线条)的情况，如图6a所示的轨迹601的靠近转换电极402的部分模拟运动轨迹出现了类似填充的情况。
需要说明的是，图7和图9所示的电场分布仅为举例，本领域技术人员应能理解，在等势线较为密集(或电场强度较高)处，在视觉上同样可能出现类似填充的情况，如图9所示的闪烁器附近的等势线出现了类似填充的情况。
根据本实施例的带电粒子探测装置，与图3所示的带电粒子探测装置相比，对转换电极的形状作了进一步改进，增强了转换电极的稳定性，进一步保证了对带电粒子的高探测效率。
图5为本发明再一个示例的带电粒子探测装置的剖面示意图。需要说明的是，图5为经过带电粒子探测装置的中心轴线的剖面示意图。其中，所述带电粒子探测装置包括网格电极501、转换电极502、屏蔽外壳503、电子探测单元504。其中，所述电子探测单元504为半导体基探测器(如Si(硅)基半导体)或MCP探测器，所述网格电极501、转换电极502、电子探测单元504以该带电粒子探测装置的中心轴线为轴同轴放置。
其中，所述转换电极502的结构与图4中所述的转换电极402相同，在此不再赘述。需要说明的是，图示转换电极502的结构仅为一个示例，并非对本发明的限制，本领域技术人员应能理解，转换电极502的形状可为靠近网格电极501一侧的粒子入口的面积小于靠近电子探测单元504一侧的粒子出口的面积的任何形状。
具体地，根据本实施的带电粒子探测装置对带电粒子进行探测的过程中，带电粒子的运动轨迹如下：当带电粒子为正电荷二次离子时，二次离子在穿过网格电极501后从转换电极502的粒子入口进入，且通过轰击转换电极502的内表面被转换为二次电子，转换后的二次电子从转换电极502的粒子出口穿出且被电子探测单元504(半导体基探测器或MCP探测器)吸收；当带电粒子为二次电子时，二次电子在穿过网格电极501后从转换电极502的粒子入口进入，并从转换电极502的粒子出口穿出且被电子探测单元504吸收。
其中，当图5所示的电子探测单元504为半导体基探测器时，从转换电极502的粒子出口穿出的二次电子轰击到半导体基探测器表面并进入半导体基内部，引起多个电子空穴对，从而实现电流信号的放大。
需要说明的是，优选地，当电子探测单元504为半导体基探测器或MCP探测器时，电子探测单元504的表面电压被设置在+7kV到+12kV电压范围，以实现对带电粒子的高探测效率。
需要说明的是，本发明附图中所示的网格电极均以虚线表示，这是用于示意性地表征网格电极的网格形状，而非网格电极在剖面后的实际视图。
上文通过附图和优选实施例对本发明的带电粒子探测装置进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施例，本领域技术人员从中推导出来的其他方案也在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (12)
1.一种带电粒子探测装置，其中，该带电粒子探测装置包括：
网格电极，用于吸引带电粒子；
转换电极，用于会聚带电粒子，以及当所述带电粒子为二次离子时，将所述二次离子转换为二次电子，其中，所述转换电极的粒子入口的面积小于粒子出口的面积；
电子探测单元，用于吸收二次电子并将探测信号放大输出；
屏蔽外壳。
2.根据权利要求1所述的带电粒子探测装置，其中，所述转换电极的形状为截锥体。
3.根据权利要求2所述的带电粒子探测装置，其中，所述截锥体的侧边与轴线之间的夹角大于等于20°且小于90°。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的带电粒子探测装置，其中，所述转换电极的材料包括氧化铝、铝或铍铜。
5.根据权利要求1所述的带电粒子探测装置，其中，所述网格电极、转换电极、电子探测单元同轴放置。
6.根据权利要求1所述的带电粒子探测装置，其中，该带电粒子探测装置被设置为通过切换所述网格电极和转换电极上的电位极性，来检测不同类型的带电粒子。
7.根据权利要求1所述的带电粒子探测装置，其中，所述带电粒子为二次离子，所述二次离子在穿过所述网格电极后从所述转换电极的粒子入口进入，且通过轰击所述转换电极的内表面被转换为二次电子，转换后的二次电子从所述转换电极的粒子出口穿出且被所述电子探测单元吸收。
8.根据权利要求1所述的带电粒子探测装置，其中，所述带电粒子为二次电子，所述二次电子在穿过所述网格电极后从所述转换电极的粒子入口进入，并从转换电极的粒子出口穿出且被电子探测单元吸收。
9.根据权利要求1所述的带电粒子探测装置，其中，所述电子探测单元包括：
闪烁器，用于吸收二次电子并将二次电子转换为光子；
光导管，用于将所述闪烁器中产生的光子导出至光电倍增管；
光电倍增管，用于进行光电转换并将探测信号放大输出。
10.根据权利要求1所述的带电粒子探测装置，其中，所述电子探测单元为半导体基探测器或MCP探测器。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的带电粒子探测装置，其中，该带电粒子探测装置对所述带电粒子的探测效率大于等于90％。
12.根据权利要求1至6以及8至10中任一项所述的带电粒子探测装置，其中，所述带电粒子为二次电子，所述带电粒子探测装置对二次电子的探测效率大于等于99％。
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