CN109979793A - 复合型sem-cl和fib-ioe显微术 - Google Patents

Abstract

复合型SEM‑CL和FIB‑IOE显微术。本文公开了使用复合扫描电子显微镜‑阴极发光(SEM‑CL)显微术和聚焦离子束‑离子诱导光学发射(FIB‑IOE)显微术的显微镜系统进行显微术的示例性实施例。某些实施例包含：以第一显微术模式操作显微术系统，其中电子束在样本位置处与样本相互作用并且引起第一模式光子和电子发射，所述第一模式光子包括通过阴极发光过程产生的光子；以及，以第二显微术模式操作显微术系统，其中离子束与在所述样本位置处的样本相互作用并且引起第二模式光子发射，所述第二模式光子包括通过离子诱导发光过程产生的光子以及通过原子去激发过程产生的光子。

Description

复合型SEM-CL和FIB-IOE显微术

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年12月27日提交的名称为“《复合型SEM-CL和FIB-IOE显微镜(COMBINED SEM-CL AND FIB-IOE MICROSCOPY)》”的美国临时申请第62/610,886号以及于2017年12月27日提交的名称为“《用于在基于镜子的光成像带电粒子显微镜中增强SE检测的方法和装置(METHOD AND APPARATUS FOR ENHANCING SE DETECTION IN MIRROR-BASEDLIGHT IMAGING CHARGED PARTICLE MICROSCOPES)》”美国临时申请第62/610,822号的权益，上述两个专利的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请涉及复合扫描电子显微镜-阴极发光(SEM-CL)显微术和聚焦离子束-离子诱导光学发射(FIB-IOE)显微术的显微镜系统。

背景技术

扫描电子显微镜-阴极发光(SEM-CL)显微术是一种提供有关微量元素信息和固体中机械诱导缺陷信息的技术。除了其它方面，SEM-CL可以用于提供对晶体生长和固体变形的基本洞察。然而，SEM-CL受其空间分辨率和缺乏元素分析能力的限制。因此，需要克服这些缺点的改进型SEM-CL。

发明内容

本文公开了使用扫描电子显微镜-阴极发光(SEM-CL)显微镜和聚焦离子束-离子诱导光学发射(FIB-IOE)显微镜两者进行显微术的方法、装置和系统的代表性实施例。所公开的方法、装置和系统不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开涉及各种公开的实施例的所有新颖和/或非显而易见的特征和方面，单独地或者以不同组合和彼此之间的子组合使用。

所公开的实例包括系统，其包含：离子束源，其配置成沿离子束轴在样本位置处产生并聚焦离子束；电子束源，其配置成沿着电子束轴在样本位置处产生并聚焦电子束；和反射器，其位于样本与离子束源和电子束源之间。在这些实施例中，反射器成形为接收从样本位置处的样本发出的光，所述光由样本与离子束或电子束之间的相互作用产生；反射器进一步成形为将光反射到光检测系统。在一些实施方式中，反射器包含抛物线形状的镜面。在其它实施方式中，反射器包含椭圆形状的镜面。在一些实施方式中，光检测系统包含光纤线缆，该光纤线缆具有输入端和输出端，该输出端光学耦合至真空系统内部或外部的光电探测器，并且椭圆形状的镜面配置成将从样本发射的光聚焦到光纤线缆的输入端。该系统可以进一步包含移动载台，该移动载台耦合至反射器并且配置成相对于样本位置并且相对于电子束轴和离子束轴移动反射器。在一些实施方案中，反射器包括：第一孔，第一孔定位成允许电子束进入反射器的内部；和第二孔，第二孔定位成允许离子束进入反射器的内部。在一些情况下，第一孔和第二孔是开槽孔。在进一步的情况下，第一孔和第二孔组合成一个开槽孔。在进一步的实施方式中，反射器包括孔，该孔定位成允许电子束进入在第一反射器位置中的反射器的内部，并允许离子束进入在第二反射器位置中的反射器的内部。例如，反射器和样本可以耦合至可控载台，该可控载台配置成将反射器移动至第一反射器位置和第二反射器位置。在一些实施方式中，该系统进一步包含位于反射器附近的转向电极，以便基于样本与离子束或电子束之间的相互作用引导从样本发射的二次带电粒子。可以将反射器设置至适当的电压，以帮助将二次电子引向探测器。在此类实施方式中，该系统可以进一步包含二次带电粒子探测器，其设置成接收从样本发射并且由转向电极引导的二次带电粒子。在一些实施方式中，该系统进一步包含光束源，其配置以沿光子束轴在所述样本位置处产生并聚焦光子束，并且其中该反射器进一步定位和配置成接收由样本位置处的样本发射的光，所述光由样本与光子束之间的相互作用产生，反射器进一步成形为将光反射到光检测系统。从样本发射的光可以对应于拉曼发射或拉曼散射。

进一步公开的实施例涉及用于操作复合型SEM/FIB系统的方法。例如，一个示例方法包含：以第一显微镜模式操作显微术系统，其中电子束与样本位置处的样本相互作用并且引起第一模式光子和电子发射，第一模式光子包括通过阴极发光过程产生的光子；以及，以第二显微镜模式操作显微镜系统，其中离子束与样本位置处的样本相互作用并且引起第二模式光子发射，第二模式光子包括通过离子诱导发光过程产生的光子和通过原子去激发过程产生的光子。可以交换执行显微术模式的顺序。此外，在某些情况下，模式可能至少部分重叠。在某些实施方式中，该方法可以进一步包含将反射器定位在样本位置附近，使得电子束在第一显微术模式期间穿过反射器的第一孔并且使得离子束在第二显微术模式期间穿过反射器的第二孔。此外，该方法可以包含选择性地旋转或移动反射器以改变电子束或离子束在样本上的入射角。在一些实施方式中，反射器包含一个或多个开槽孔，其配置成允许改变电子束或离子束的入射角。还可以执行该方法以支持一种或多种技术来分析样本。例如，该方法可以进一步包含：(a)通过将通过原子去激发过程产生的光子的波长与元素的光谱分布相关联来执行样本的二维元素分析；(b)至少部分地基于通过原子去激发过程产生的光子，对样本进行三维深度剖析；以及/或者(c)至少部分地基于通过原子去激发过程产生的光子来终点测量样本。在某些实施方式中，第一显微术模式和第二显微术模式使用共同的反射器和共同的检测系统。在一些实施方式中，在第一显微术模式和第二显微术模式两者中产生二次带电粒子，并且该方法进一步包括将转向电极定位在反射器附近以引导从样本发射的二次带电粒子。在某些进一步的实施方式中，该方法包含以第三显微术模式操作显微术系统，其中光子束与样本位置处的样本相互作用并且引起拉曼光子发射(例如，拉曼散射)。

本文公开的又一个示例性实施例是一种系统，其包含：离子束源，其配置成沿着离子束轴在样本位置处产生和聚焦离子束；电子束源，其配置成沿着电子束轴在样本位置处产生并聚焦电子束；以及共享光子检测系统，其通过重合点几何结构配置，用以检测由样本与离子束的相互作用以及样本与电子束的相互作用产生的光子。

通过参考附图进行的以下详细描述，本发明的前述和其它目的、特征以及优点将变得更为显而易见。

附图说明

图1是说明复合型SEM-CL和FIB-IOE系统的实施例的示意框图。

图2是说明作为在所公开技术的实施例中使用的聚焦离子束(FIB)显微术的基础的光发射过程的示意性框图。

图3是示出对于示例样本对图2的两个不同光子产生过程进行检测而得结果的图。

图4是具有抛物面镜的复合型SEM-CL FIB-IOE系统的示意性侧视图。

图5是具有椭圆镜的复合型SEM-CL FIB-IOE系统的示意性侧视图。图6(A)至6(D)是示出了可以在所公开技术的实施例中使用的具有不同孔径配置的示例镜子的顶视图的示意性框图。

图7至10示出了从所公开技术的实施例收集的图像，包括通过SEM-CL过程获得的图像和通过FIB-IOE过程获得的图像。

图11示出了复合型SEM-CL FIB-IOE系统的另一个示例性实施方式。

图12示出了复合型SEM-CL FIB-IOE系统的另一个示例性实施方式，该系统包含用于在SEM-CL或FIB-IOE期间产生的二次带电粒子的转向机构。

图13是根据所公开的技术操作显微术系统的示例方法的流程图。

具体实施方式

I.一般考虑

本文公开了使用扫描电子显微镜-阴极发光(SEM-CL)显微镜和聚焦离子束-离子诱导光学发射(FIB-IOE)显微镜两者进行显微术的方法、装置和系统的代表性实施例。所公开的方法、装置和系统不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开涉及各种公开的实施例的所有新颖和非显而易见的特征和方面，单独地或者以不同组合和彼此之间的子组合使用。此外，所公开的实施例的任何特征或方面可以不同组合和彼此之间的子组合使用。例如，来自一个实施例的一个或多个方法动作或特征可以与来自另一个实施例的一个或多个方法动作或特征一起使用，反之亦然。所公开的方法、装置和系统不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的实施例也不要求存在任何一个或多个特定优点或已解决问题。

尽管为了方便呈现而以特定的顺序次序描述了一些公开方法的操作，但应该理解，这种描述方式包括重新排列，除非在下方以特定语言阐述需要特定排序。例如，顺序描述的操作在某些情况下可以重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能未示出所公开的方法可以与其它方法结合使用的各种方式。另外，该描述有时使用诸如“确定”和“提供”之类的术语来描述所公开的工具和技术。这些术语是执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作可以根据具体实施方式而变化，并且本领域技术人员可以容易地辨别。另外，如本文所使用的，术语“和/或、并且/或者、以及/或者”意指短语中的任何一个项目或任何项目的组合。

如本文所用，“带电粒子”束通常是指包含带正电或带负电的粒子的束，例如电子、质子和离子。带电粒子束离子可包括带正电荷或带负电荷的镓、氧、铯、稀有气体离子以及其它离子物质。带电粒子质量和带电粒子速度可以与空间分辨率的增加相关联。

样本和带电粒子束(例如，电子束或离子束)之间的相互作用通常由相互作用体积限定，并且该相互作用产生来自样本的各种粒子发射，包括来自样本的表面、来自样本的子表面或来自样本附近的颗粒或溅射物质发射的粒子。粒子发射可以包括背散射粒子，例如背散射电子、质子或离子，其通常保留入射带电粒子束的粒子的大部分能量(例如，基于弹性或非弹性碰撞)。

来自样本的粒子发射还可以包括二次电子和二次离子，其对应于已经被入射带电粒子束激发的样本原子的发射。二次电子能量和二次离子能量可以基于入射带电粒子束的能量以及样本的特定材料和相应的电离能量而显著变化。在一些示例中，代表性的二次粒子能量包括从几个eV至几百个eV(尽管数十个eV更典型)，并且更高能量的粒子可以衰变成额外的低能量二次粒子。

来自样本的粒子发射还可以包括各种能量的光子(例如，“光”或“光粒子”)，通常范围为从红外线到X射线。一些发射的光粒子对应于由带电粒子束和样本之间的相互作用产生的阴极发光或基于离子的发光，包括在不同深度处从样本溅射的二次电子或二次离子。更进一步地，一些光粒子对应于在从离子束激发后被溅射并且通过发射具有指示原子的元素性质的波长的光子而被去激发的激发态原子。其它实例包括来自光子-样本相互作用的光子发射，并且发射的粒子可以对应于发射的光子，例如拉曼发射。

光束典型地相对于光束传播轴被描述，并且通常以垂直入射方式随样本一起被展示。应当理解，可以提供从掠入射到垂直入射的各种入射角。通常，光束轴包括一个或多个直线段，光或带电粒子束沿着该直线段传播或者一个或多个光学元件沿着该直线段设置。这些轴可以利用反射表面或带电粒子引导组件进行弯曲、折叠或变化，使得轴不必是单个直线段。描述了可以包括一个或多个透镜、反射器、偏转器等的装置，其可以静电或静磁地配置以改变或聚焦带电粒子轨迹。接收带电粒子束或光束的样本可以包括半导体靶、金属靶或其它靶。检测到的二次电子、二次离子和光粒子可以用于形成样本图像，包括样本形状、层、深度和轮廓，并可以例如通过所检测信号信号的光谱分析确定不同元素和结构的存在(或不存在)。

II.公开技术的概述

所公开的技术通常涉及复合SEM-CL与FIB-IOE显微术系统(并且其还可以包括用于检测拉曼散射的另外的光源)，从而制成能够对样本进行广泛分析的一体化显微镜系统。因为这些技术涉及检测和分析从样本发射的光，所公开技术的某些实施例从样本到包括聚光反射器(也称为“镜子”))的检测单元(例如，光谱仪)共享相同的光检测链。在一致的束几何结构中，并且在一些实施例中，镜子可以围绕共心高度与样本一起旋转，从而为电子束和离子束提供例如90度的操作。在一些实施例中，反射器具有两个(或更多个)孔或开槽孔，使得能够在没有干涉的情况下在SEM和FIB(并且在一些情况下，拉曼散射分析)之间切换。此外，对于一些实施例，如果不需要角度分辨测量，则可以使用椭圆镜，其中光由一条或多条光纤线缆收集，所述光纤线缆的输入端位于由反射器产生的焦点处。除了重合的几何结构操作之外，反射器还可以以非重合的束几何结构操作，以避免与SEM/FIB鼻锥的机械干扰。

SEM-CL系统与FIB-IOE系统的复合(包括共享共同的反射器/镜子和检测路径的实施例)可以极大地改善源自样本内的光子的空间分辨率，同时允许使用FIB-IOE实现对受分析样本的2D/3D元素分析。

III.所公开技术的实施例的详细描述

在该部分中，公开了使用扫描电子显微镜-阴极发光(SEM-CL)显微术和聚焦离子束-离子诱导光发射(FIB-IOE)显微术进行显微术的示例性实施例。

图1是示出复合型SEM-CL和FIB-IOE系统的基本示例系统100的示意性框图。系统100包括电子源110(标记为“SEM”)以及单独的离子源112(标记为“FIB”)。在一些实施例中，附加光源113(标记为“LS”)可以包括在系统中并且配置成发射光束(例如，用于SEM拉曼成像)。

各种合适的电子源和离子源(具有不同的性能特征、组件、透镜等)可以用于所公开技术的实施例中，这里不需要详细描述。例如，离子源可以配置成产生并形成镓、氧、铯、稀有气体以及其它离子物质的带正电或带负电的离子束。例如但不限于，可以使用可以从赛默飞世而科技公司(Thermo Fisher Scientific Corporation)购得的任何离子源或电子源。

图1中还示出了样本130(例如，诸如半导体器件的受测器件(例如，用于制造ASIC或FPGA的硅晶片)或其它物质(例如，对结构或成分感兴趣的任何物质))。如图所示，电子源110和离子源112均定位成产生相应的电子束114和离子束116，该电子束和离子束在特定的目标位置处入射到样本130上。如下面将更全面地解释的，所公开技术的一些实施例包括可以重新定位(例如，通过平移和/或旋转)的样本平台，以实现所需的光束相互作用并靶向样本。

系统100进一步包括镜子120，其至少部分地围绕样本130。通常，镜子120可以是在其内表面上包括镜面的结构。镜面可以是抛物线形、椭圆形或其它合适的形状。(出于本公开的目的，术语“椭圆形”也指“椭圆体”，术语“抛物线形”也指“抛物线体”。)通常，镜子120配置成在电子束或离子束扫描期间朝向检测单元140反射从样本130发出的光子。此外，在复合型系统100中，SEM-CL和FIB-IOE成像技术均可以共享从样本到检测单元140(包括聚光镜120)的相同光检测链。此外，镜子120可以适用于图1中所示的双光束系统。例如，如图6A至6D所示，镜子120可以包括第一孔和第二孔(或第一开槽孔和第二开槽孔)，以使得能够在没有干扰的情况下在SEM和FIB扫描之间切换。当附加束源结合到系统(例如，光源113)中时，还可以存在额外的孔或开槽孔。或者，镜子120可包括单个孔或单个开槽孔并且安装在可移动(例如，可旋转)平台上，该平台允许在SEM和FIB扫描之间切换。

图1中示出的检测单元140通常是光探测器(如图所示)并且可以包含任何合适的检测单元。在所示实施例中，检测单元140是复合型PMT/光谱仪，但是检测单元可以包括其它检测组件(例如，光电二极管、APD、PMT、CCD和/或CMOS传感器中的任何一个或多个)。使用单个检测单元和单个反射器大大减少了资源使用、分析时间、空间要求和成本。

虽然聚焦离子束方法通常依赖于带电粒子来进行显微术，但是聚焦离子束也引起光发射，其可以在与SEM-CL相同的光学链中收集和检测，例如使用镜子120和检测单元140的实施例。因为它与通常期望非光学组件的SEM-CL系统共享光学组件，因此，复合型系统100置于违反直觉的范畴。

图2是说明作为所公开技术的聚焦离子束(FIB)显微术方面的基础的光发射过程的示意性框图200。特别地，图2示出了示例性入射离子210，其是指向样本230的目标位置的离子束的一部分。作为入射离子210的结果(并且取决于样本的结构和/或组成)，可以触发引起光子发射的多个相互作用过程。

图2的右侧示出了来自入射离子210的第一光子产生过程240。在该第一相互作用中，入射离子210与样本230相互作用并从目标材料中激发并溅射原子212。然后激发态原子212去激发(如在240处示意性地示出)并且当其从激发态244去激发到去激发态246时产生光子发射242。该去激发过程可以提供特定的光谱信息，例如非常尖锐的光谱特征，从中可以推断出哪种类型的原子产生光子发射242，从而提供元素信息。当在二维离子束扫描中触发这种原子去激发时(或涉及重复二维扫描的三维扫描，其中在一次或多次后续二维扫描期间检查样本的z轴(或深度))，可以进行样本的二维或三维元素映射。其它应用包括终点测量和深度剖析。例如，对于具有多个层的样本，离子束可用于执行离子铣削以移除一个层，但是在到达下一层时停止。由在240处所示的原子去激发过程提供的元素信息可用于确定何时显露下一层。例如，当显露新层时，由该原子去激发过程产生的波长(或多个波长)将改变。此外，可以继续进行与元素分析相结合的离子铣削，以在多个层(例如，所有层)上形成三维深度分布。

图2的左侧示出了第二光子产生过程250，其类似于阴极发光，并且当样本230包括其中存在由入射离子210显露的电子空穴的带隙时可以触发。例如，入射离子210的碰撞可以激发那些电子，然后那些电子将随后去激发。作为去激发过程的一部分，将发射一个或多个光子，包括对应于大于导带和价带之间的带隙的去激发的光子(其示例在252处示出)，并且包括对应于小于导带和价带之间的带隙的去激发的光子(其示例在254处示出)。

图2还示出了可能在样本230的表面处发生的相互作用。例如，入射离子210还可以使二次离子260或二次电子262从样本230背散射。在所公开技术的特定实施例中，可以用带电粒子探测器检测二次离子260和二次电子262。在进一步的实施例中，可以通过使用天线来检测二次离子260和二次电子262，以在被带电粒子探测器接收之前将带电粒子引导出周围镜子(例如，镜子120)。

图3是曲线图300，示出了针对跨越一系列波长的示例性样本检测图2的两个不同光子产生过程的结果。可以看出，图3中的曲线图300包括强谱线310以及宽带数据320。锐谱线310可用于执行元素分析并识别样本的目标点处的元素性质。例如，由国家标准和技术研究所(National Institute of Standards and Technology)维护的原子光谱数据库(Atomic Spectra Database)可用于将观察到的波长与特定元素相关联，从而从观察到的光谱线(例如谱线310)提供元素性质。

从原子去激发过程产生锐谱线(例如谱线310)，而通过离子诱导发光获得宽带数据320。值得注意的是，两种类型的数据是从单一激励——离子束(例如离子束116)－－产生的。换句话说，单一激励类型(离子束)触发两个单独的光子产生过程，其提供可用于下游分析过程(例如，结构分析和成像)的独特信息。

如上所述，所公开技术的示例系统(例如，系统100)可包括至少部分地围绕样本的镜子。通常，镜子是包括内表面的结构，该内表面被反射/被镜像并且配置成将入射光子引导到期望的方向。图4和5分别示出了两个示例镜子配置400、500。

特别地，图4是具有抛物面镜410的配置400的示意性侧视图。图4还示出了入射离子束420，其穿过抛物面镜的孔422并入射在样本430的目标点上。图4中还示出了由离子束420与样本430的相互作用产生的两个示例光子路径440、442。光子路径440、442展示了镜子410的抛物线形状如何使光子以准直(或基本准直)的方式离开镜子。

图5是具有椭圆镜510的配置500的示意性侧视图。图5还示出了入射离子束520，其穿过孔522并入射在样本530的目标点上。图5中还示出了由离子束520与样本530的相互作用产生的两个示例光子路径540、542。光子路径540、542示出了镜子510的椭圆形状如何使光子被镜子510聚焦，从而允许光子被引导到光纤线缆550的第一端。光纤线缆550的第二端可以光学耦合至检测单元(例如PMT和/或相机(CCD))。椭圆镜510和光纤线缆550的组合赋予检测单元的位置的灵活性。

图6A至6D是示出了镜子120的顶视图的示意性框图，并且示出了可以在所公开的技术的实施例中使用的非限制性的各种孔径配置。

图6A是具有双孔配置的镜子602的示意性顶视图600，其中第一孔径610配置成输入电子束(用于SEM-CL)，并且第二孔径612配置成输入离子束(用于FIB-IOE)。应该理解的是，孔610、612之间的特定直径/尺寸、位置和相对距离不应被解释为限制，因为它们可以根据配置而改变。此外，孔610、612可彼此交换。进一步的实施例可以包括一个或多个额外孔，其配置成输入一个或多个(例如，来自光源(诸如光源113))额外束。

图6B是具有单一孔630的镜子622的示意性顶视图620。在该实施例中，镜子和样本安装在可操纵的平台上，该平台允许镜子和样本重新配置(例如，旋转、平移或以其它方式重新定位)以接收来自电子束源的电子束或来自离子束源的离子束。

图6C是具有双孔配置的镜子642的示意性顶视图640，其中第一开槽孔650配置成输入电子束(用于SEM-CL)，并且第二开槽孔652配置成输入离子束(用于FIB-IOE)。应当理解，孔650、652之间的特定位置和相对距离不应被解释为限制，因为它们可以根据配置而改变。此外，孔650、652可以彼此交换。孔650、652的开槽方面允许入射束更容易地靶向不同的位置并具有不同的样本角度并且无需移动样本，并且充分利用镜子的形状，以便改善由镜子反射到检测单元的光子通量。例如，镜子和样本可以安装在可操作的平台上，该平台允许镜子和样本重新配置(例如，旋转、平移或以其它方式重新定位)以在一定角度范围内接收来自电子束源的电子束或来自离子束源的离子束。例如，利用所公开的实施例，镜子642可以随着样本围绕高偏心旋转，从而为电子束和离子束提供例如90度的操作。在另外的实施例中，可以提供比90度更大或更小的旋转，例如60度、45度、135度等。进一步的实施例可以包括一个或多个额外的开槽孔，其配置成输入一个或多个(例如，来自光源(诸如光源113))额外束。

图6D是具有单一开槽孔670的镜子662的示意性顶视图660。在该实施例中，镜子安装在可操纵的平台上，该平台允许镜子和样本重新配置(例如，旋转、平移或以其它方式重新定位)以接收来自电子束源的电子束或来自离子束源的离子束(以及在一些实施例中，来自光源的光子束)。孔670的开槽方面允许入射束更容易地靶向样本的不同的位置并且无需移动样本，并且更充分利用镜子的形状，以便改善由镜子反射到检测单元的光子通量。

图7至10示出了从所公开技术的实施例收集的图像，包括通过SEM-CL过程获得的图像和通过FIB-IOE过程获得的图像。这些图像突出了通过复合型SEM-CL/FIB-IOE系统可以实现的差异和优势。

图7示出了SiO₂样本的FIB-SE图像700和相同SiO₂样本的FIB-IOE图像702。FIB-IOE图像702显露自SEM-FIB-SE图像700显露不明显的粒子细节。此外，如上所述，检测到的光可用于执行元素分析。

图8示出了铅笔芯样本的FIB-SE图像800和相同样本的FIB-IOE图像802。FIB-IOE图像802显示自FIB-SE图像800显露不明显的粒子。此外，如上所述，检测到的光可用于执行元素分析。

图9示出了金刚石样本的FIB-IOE图像900和相同样本的FIB-SE图像902。FIB-IOE图像902示出了反转对比度图像，其示出了FIB-SE图像900的类似方面。此外，如上所述，检测到的光可用于执行元素分析。

图10显示了金刚石样本的SEM-CL图像1000和相同样本的FIB-IOE图像1002。FIB-IOE图像1002显露了优于SEM-CL图像1000的细节结构边缘。此外，如上所述，检测到的光可用于执行元素分析。

图11是复合型SEM-CL和FIB-IOE系统的示例实施方式1100的透视图。图11中示出的示例性实施方式1100包括以剖面示出或仅部分示出的若干组件，以便更好地示出所公开技术的概念。此外，图11中所示的配置1100仅是示例性的，并且不应被解释为以任何方式进行限制。

图11示出了两种束源：电子束源1110(其中仅示出了电子束源1110的鼻锥)和离子束源1112(其中仅示出了离子束源1112的鼻部)。然而，应该理解，在某些实施例中可以交换两个带电粒子源。更进一步地，应该理解，也可以存在一个或多个束源(例如，光源)。示例性配置1100还示出了放置在样本支撑平台1122上的样本1120。在配置1100中还示出了反射器(镜子)1130，其中镜面(例如，抛物面镜、椭圆镜或其它镜子)位于反射器/镜子1130的内部并且引导由入射电子束/离子束产生的光子朝向检测单元。在所示实施例中，反射器1130是椭圆镜，其配置成将光子反射到光学连接器1150，光学连接器1150耦合至光纤1152。光纤1152进一步耦合至检测单元(未示出)。图11中还示出了粒子探测器1160，其设置成检测带电粒子(例如，由转向电极操纵)。下面参考图12更详细地描述包括特定探测器和转向电极的所公开技术的示例性实施例。

在所示实施例中，反射器1130安装在移动平台1132上，移动平台1132可平移到第一样本测量位置，其中反射器移动以至少部分地围绕样本并允许入射电子束或离子束(或额外束，例如光)产生用于检测单元检测的镜像光子，或移动至第二非测量位置(未示出，其中镜子结构远离样本移动，因此允许更换样本1120或以其它方式移入不同的测量位置)。

在一些实施例中，样本支撑平台1122和样本1120是可移动的(沿任意x轴、y轴和z轴(或各轴的任何组合))，从而允许样本相对于电子束源1110或离子束源1112移动到任何期望的测量位置。例如，在图11中，平移平台(其一部分通常在1140处示出)允许这种类型的移动。平移平台可以由多个可单向平移的子平台形成(并非所有子平台都在图11中示出)。

更进一步地，在一些实施例中，样本1120和样本支撑平台1122可以独立于反射器1130移动，但也可以与反射器1130一起移动。例如，样本1120、样本支撑平台1122和反射器1130可以进一步安装在可旋转(或可移动的)平台上，从而允许例如改变入射离子束或电子束的入射角。

图12示出了系统1200的另一个示例性实施例，系统1200包括电子束源和离子束源，但还包括可用于增强二次电子检测的机构。在所示的实例中，系统1200是具有电子束和聚焦离子束的双束显微镜。系统1200通常设置成支撑带电粒子目标1202，例如待通过电子显微镜、聚焦离子束系统、拉曼散射系统等进行分析的样本。电子束1204沿着电子束轴1208通过透镜装置1206(通常包含以柱状布置的一个或多个电或磁透镜元件)聚焦并且被引导到目标1202。在典型实例中，透镜装置1206还可以提供相对于目标1202在一个或多个方向上的电子束1204的扫描。离子束1205沿着离子束轴1209通过透镜装置1207(通常包含柱状布置中的一个或多个电或磁透镜元件)聚焦并被引导到目标1203。在典型实例中，透镜装置1207还可以提供相对于目标1203在一个或多个方向上的离子束1205的扫描。应当注意，离子束1205在图12中示意性地示出，并且在现实世界的实施方式中，可以位于不同的取向和位置(例如，如图11所示)。

目标1202通常由样本移动载台1210支撑，样本移动载台1210可以在各个方向上平移和/或旋转，使得目标1202可以定位在相对于电子束1204和/或离子束1205的合适平面或位置处(例如在焦点处)。在特定实例中，样本移动载台1210允许样本移动到电子束和不同角度的聚焦离子束的共心焦点位置。然后，样本移动载台1210可以进一步允许样本在共心焦点处旋转，使得样本可以在电子束或聚焦离子束的视野中。在不同的实例中，目标1202可以接地或偏置，包括具有可变偏置，例如具有器件测试信号。

装置1200的代表性实施例进一步包括反射器1212(以横截面示出)，其通常为曲面镜的形式(例如具有抛物线形状)，邻近目标1202定位。电子束1204和/或离子束1205的带电粒子与目标1202相互作用，以便在目标1202处产生各种粒子发射，包括在电子束1204或离子束1205的焦点位置附近发生的发射，因为发射的粒子松弛到各种较低能量状态并发射其它粒子。如上面关于图2所解释的，一些粒子发射可以包括在各种波长下的光发射，并且反射器1212设置成接收作为光粒子1214a至1214f的一部分发射光并沿着与离子电子束轴1208或离子束轴1209不同的方向引导光。在典型实例中，发射光粒子1214a至1214f的各种角度作为准直光束彼此平行地引导，如图12所示，尽管也可以在除了准直之外的一个或多个方向上引导光或不同角度范围的光。可以调节反射器1212的各种几何特性以改变光方向，包括对称或非对称、圆形或椭圆形抛物面、像差校正等。一些实例可以包括椭圆形状，使得反射光聚焦在一个或多个点或线而不是准直。反射器形状可以基于带电粒子束和样本相互作用形状而变化。

如上面关于图5、6(a)和6(b)所解释的，反射器1212可以包括一个或多个孔1216，其设置成允许电子束1204、离子束1205和/或其它束穿过反射器1212到达目标1202。可以设置光学检测装置1218(例如光谱仪或其它光学组件)，以便接收和检测光粒子1214a至1214f。在一些实例中，光学检测装置1218可以包括光学聚焦元件1220(例如，一个或多个折射和/或反射组件)，其将接收的光粒子1214a至1214f引导到光学探测器1222。可以使用各种光学装置(包括自由空间和/或光纤耦合)以检测单色光或多色光。在一些实例中，光学探测器可包括光电二极管、APD、PMT、CCD和/或CMOS传感器中的一个或多个。在代表性实施例中，发射的光粒子1214a至1214f对应于基于电子束1204或离子诱导发光之间相互作用而发射的阴极发光以及基于离子束1205与目标1202之间的相互作用而由原子去激发产生的光子。

在进一步的实例中，来自光源1211(可以可选地包括在系统中)的光束可以沿着光轴(例如带电粒子束轴1208、离子束轴1209或设置有单独的光学柱(如图所示)的其它轴)被引导到目标，并且通过样本和光束之间的相互作用形成发射的光粒子1214a至1214f。因此，在所选实例中，目标1202的成像或探测也可以由光源执行，相关光子也通过反射器1212收集。合适的光源可以产生具有白炽灯泡、发光二极管、激光二极管、光纤激光器以及其它光源的光束。

在代表性实例中，系统1200还包括与反射器1212相邻并且被偏置以产生靠近目标1202的电场的转向电极1224。当目标1202和带电粒子束1204相互作用时，产生具有不同能量和轨迹的各种粒子，包括x射线、背散射电子和二次电子，例如二次电子1226a、1226b。由转向电极1224产生的电场改变二次电子1226a、1226b的路径，以减小其与反射器1212的反射表面接触的可能性。在一些实例中，粒子探测器1228设置成接收由转向电极1224操纵的二次电子1226a、1226b。在特定实例中，粒子探测器1228的位置使得在没有转向电极的情况下，粒子探测器1228可以检测到非常少的或检测不到二次电子。代表性粒子探测器1228可包括Everhart-Thornley探测器，其通常包括被偏置以吸引二次电子1226a、1226b的法拉第笼。如图所示，粒子探测器1228可以定位在反射器1212上方，但是其它位置也是可能的，包括在下方或侧面。在一些实例中，反射器1212可以利用电压进行偏置，以便提供引导二次电子(例如二次电子1226a、1226b)远离反射器1212的电场。然后，二次电子可以由转向电极1224进一步引导或提取，并且由粒子检测器1228接收和检测。在特定实例中，反射器1212可以在反射器1212的不同部分中被不同地偏置。例如，在推送电极配置中，反射器1212可以具有目标1202的发射点左侧的部分1213a，如图12所示，其可以被偏置为高于发射点右侧的部分1213b。在一些实例中，转向电极1224可包括一个或多个磁性元件。

转向电极1224的代表性实例可以包括天线部分1232，该天线部分1232可以沿着与一个或多个光粒子1214a至1214f的传播类似的方向纵向延伸，使得天线部分1232可以位于目标1202附近。从天线部分1232通过电压偏置延伸的相应电场可以使二次电子1226a、1226b在被粒子检测器1228接收之前绕天线部分1232轨道运行。在一些示例中，移动载台1234可以耦合至转向电极1224以平移和/或旋转转向电极1224，使得转向电极1224可以插入或定位至相对于反射器1212、目标1202和粒子探测器1228的合适位置中。天线部分1232可以具有各种形状，包括线性、曲线性、分段性(例如，具有交替的绝缘和导电部分)、弯曲性或组合形状。在一些实例中，天线部分1232的纵向形状可以与反射器1212的光轴对准，并且在其它实例中，纵向形状可以与反射器1212的光轴成一定角度。移动载台1234配置成在发射带电粒子束1204期间将转向电极1224保持在固定位置，但是在一些实例中，移动载台1234可以在发射期间移动、振动或扫描转向电极1224。在进一步的实施例中，施加到转向电极1224的电压可以在发射期间相对于时间变化，例如根据振荡或其它时间相关信号。

在二次电子1226a至1226b被转向电极1224引导远离反射器的情况下，反射器1212可以以各种方式配置以改善性能。通过本文所述的方法可以减轻用于补偿低二次电子收集效率的常用方法(例如增加带电粒子束电流或增加停留时间)。例如，可以在不增加电流的情况下实现改进的收集效率，从而避免分辨率的折衷，并且可以避免增加的停留时间，停留时间可能导致信号保真度的降低或者可能损坏被成像的目标(特别是对于离子)。

在一些实例中，反射器1212包括延伸长度1230，其可用于反射光粒子的额外角度，包括光粒子1214f和光粒子1214e、1214f之间的角度范围1236。可以相对于二次电子1226a、1226b可以通过转向电极1224引导远离延伸长度1230的程度来选择延伸长度1230。在进一步的实例中，可以基于反射器1212的偏置进一步延伸延伸长度1230。在一些实例中，反射器1212更靠近目标1202定位，因为二次电子1226a、1226b通过转向电极1224远离反射器1212的引导可以提供额外的收集余量。反射器1212的更紧密定位允许透镜装置106沿着带电粒子束轴1208更靠近目标102移动而不受反射器112的阻碍，从而允许更短的工作距离和性能改进，例如更精细的空间分辨率。

在代表性实例中，反射器1212可以耦合至移动载台1238，以使反射器1212与目标1202、带电粒子束轴1208以及由样本发射的相应光精确对准。移动载台1238还可以用于在目标1202移动时移动反射器1212，例如，用于由一个或多个其它带电粒子束处理，或者从目标1202的区域完全移除反射器1212。虽然所示的移动载台1238靠近反射器1212的顶端耦合，但是移动载台1238也可以在其它位置处耦合至反射器，例如相对端或一个或更多个其它侧。

装置1200还可以耦合至控制器环境1240，控制器环境1240可以用于从各种组件接收信号和/或控制各种组件。控制器环境1240可以包括一个或多个计算设备，其至少包括处理器1242和存储器1244。计算设备可以包括台式计算机或膝上型计算机、移动设备、平板电脑、逻辑控制器等。处理器1242可以包括可以执行各种数据处理或者与控制器环境1240相关联的I/O功能(例如控制和/或数据处理)的一个或多个CPU、GPU、ASIC、PLC、FPGA、PLD、CPLD等。存储器1244可以是易失性的或非易失性的(例如，RAM、ROM、闪存、硬盘驱动器、光盘等)、固定的或可移动的，并且可以耦合至处理器1242。存储器1244可以为一个或多个计算机可读介质提供存储容量。一个或多个系统总线可以提供各种环境组件之间的通信路径。控制器环境1240还可以以分布式形式设置，使得应用和任务由通过通信网络链接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，程序模块和逻辑可以位于本地和远程存储器存储设备中。在一些示例中，控制器环境1240中的组件不需要与其它组件链接。

控制器环境1240可以耦合至透镜装置1206、电子束源1246、透镜装置1207、离子束源1247、光源1211，并且可以包括控制逻辑1248以例如通过透镜电极和/或发射源电压的变化改变电子束、离子束和/或光束的不同特性。控制器环境1240还可以通过移动载台控制1250、1252、1254耦合至移动载台1210、1234、1238，以改变目标1202、操纵电极1224和反射器1212的相应平移和/或旋转。控制器环境1240可以利用光检测I/O 1256进一步耦合至光学探测器1222，以便接收与光粒子1214a至1214f相关联的光学检测信号。控制器环境1240还可以利用粒子探测器I/O 1258耦合至粒子探测器1228，以便接收与由转向电极1224引导的二次电子1226a、1226b相关联的粒子检测信号。在代表性实施例中，可以基于电子束1204/离子束1205/光束(来自光源1211)和目标1202之间的相互作用同时接收来自粒子探测器1228和光学探测器1222的检测信号。在进一步的实例中，可以安置显示器1260以显示检测到的信号、样本图像、电极电压、阶段参数等。

用于对准反射器、探测器和转向电极组件的计算机程序可以体现为由数字计算机执行的软件或固件指令。例如，任何公开的技术可以由作为显微术系统一部分的计算机或其它计算硬件执行。显微术系统可以连接到探测器1218、1228或以其它方式与探测器1218、1228通信，并且可以编程或配置成接收光学和带电粒子检测信号并执行成像或材料分析计算(例如，本文公开或结合的任何技术)。计算机可以是包含一个或多个处理器(处理设备)和有形的非暂时性计算机可读介质(例如，一个或多个光学介质盘、易失性存储器设备(诸如DRAM或SRAM)或非易失性存储器，或存储设备(例如硬盘驱动器、NVRAM和固态驱动器(例如，闪存驱动器)))的计算机系统。一个或多个处理器可以执行存储在有形的非暂时性计算机可读介质中的一个或多个上的计算机可执行指令，从而执行任何所公开的技术。例如，用于执行任何所公开实施例的软件可以作为计算机可执行指令存储在一个或多个易失性非暂时性计算机可读介质上，当由一个或多个处理器执行时，该计算机可执行指令使得一个或多个处理器执行任何所公开的技术。计算的结果可以存储(例如，在合适的数据结构或查找表中)在一个或多个有形的非暂时性计算机可读存储介质中并且/或者也可以输出给用户，例如，通过在显示器1260上与图形用户界面一同显示。

可以用于增强二次粒子检测的系统、方法和装置的其它实施例和细节在于2017年12月27日提交的名称为“《用于在基于镜子的光成像带电粒子显微镜中增强SE检测的方法和装置(METHOD AND APPARATUS FOR ENHANCING SE DETECTION IN MIRROR-BASED LIGHTIMAGING CHARGED PARTICLE MICROSCOPES)》”的美国临时申请第62/610,822号中有所描述，其被认为是本申请的一部分，并且其全部内容通过引用并入本文。

图13是示出使用所公开技术的实施例进行显微术的示例方法1300的流程图。特定实施例不应被解释为限制，因为所公开的方法动作可以单独地、以不同的顺序执行，或者至少部分地彼此同时执行。此外，任何所公开的方法或方法动作可以用本文公开的任何其它方法或方法动作来执行。

在1310处，显微术系统以第一显微术模式操作，其中电子束与样本位置处的样本相互作用并且引起第一模式光子和电子发射。在此实施例中，第一模式光子包括通过阴极发光过程产生的光子。

在1312处，显微术系统以第二显微术模式操作，其中离子束与样本位置处的样本相互作用并且引起第二模式光子发射。在此实施例中，第二模式光子包括通过离子诱导的发光过程产生的光子和通过原子去激发过程产生的光子。

应当理解，所示顺序不是限制性的，因为第二显微术模式可以在第一显微术模式之前执行。更进一步地，在某些情况下，模式可能至少部分重叠。

在一些实施例中，该方法进一步包含将反射器定位在样本位置附近，使得电子束在第一显微术模式期间穿过反射器的第一孔，并且使得离子束在第二显微术模式期间穿过反射器的第二孔。在进一步的实施例中，该方法进一步包含将反射器定位在样本位置附近，使得电子束在第一显微术模式期间穿过反射器的孔并重新定位反射器，使得离子束在第二个显微术模式期间穿过反射器的孔。在其它实施例中，该方法进一步包含将反射器定位在样本位置附近，使得电子束在第一显微术模式或第二显微术期间穿过开槽孔，并且选择性地旋转或移动反射器，以便在不同角度靶向样本。

与图13中所示的方法协作，可以执行一个或多个分析过程。例如，在某些实施例中，该方法可以进一步包含通过将通过去激发过程产生的光子的波长与元素的光谱分布相关联来执行样本的元素分析。在一些实施例中，该方法可以进一步包含至少部分地基于通过去激发过程产生的光子(如上所述)来执行样本的深度剖析、终点测量或两者。

在进一步的实施例中，第一显微术模式和第二显微术模式使用共同的反射器和共同的检测单元。更进一步地，在一些实施例中，在第一显微术模式和第二显微术模式中均产生二次带电粒子，并且该方法进一步包括将转向电极定位在反射器附近，以便基于带电粒子束(CPB)-样本相互作用远离反射器和CPB轴引导从样本发射的二次带电粒子。

在进一步的示例性实施例中，该方法进一步包含以第三显微术模式操作显微术系统，其中光子束与样本位置处的样本相互作用并引起拉曼光子发射。

IV.结语

已经说明和描述了所公开技术的原理，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离这些原理的情况下，可以在布置和细节上修改所公开的实施例。例如，所公开技术的任何一个或多个方面可以应用于其它实施例中。鉴于可以应用所公开技术的原理的许多可能的实施例，应该认识到，所示实施例仅是本技术的优选实例，不应被视为限制本发明的范围。

Claims (25)

1.一种系统，其包含：

离子束源，其配置成沿离子束轴在样本位置处产生并聚焦离子束；

电子束源，其配置成沿电子束轴在所述样本位置处产生并聚焦电子束；以及

反射器，其定位于所述样本与所述离子束源和所述电子束源之间，所述反射器进一步成形为接收在所述样本位置处的样本发射的光，所述光由所述样本与所述离子束或所述电子束之间的相互作用产生，所述反射器进一步成形为将所述光反射到光检测系统。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述反射器包含抛物线形状的镜面。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述反射器包含椭圆形状的镜面。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述光检测系统包含光纤线缆，所述光纤线缆具有输入端和输出端，所述输出端光学耦合至真空系统内部或外部的光电探测器，并且其中所述椭圆形状的镜面配置成聚焦从所述样本发射到所述光纤线缆的所述输入端的光。

5.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含移动载台，所述移动载台耦合至所述反射器并且配置成相对于所述样本位置并且相对于所述电子束轴和所述离子束轴移动所述反射器。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述反射器包括第一孔，所述第一孔定位成允许所述电子束进入所述反射器的内部；和第二孔，所述第二孔定位成允许所述离子束进入所述反射器的内部。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述第一孔和所述第二孔是开槽孔。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述反射器包括孔，所述孔定位成允许所述电子束进入在第一反射器位置的所述反射器的内部，并且允许所述离子束进入在第二反射器位置的所述反射器的内部。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述反射器和所述样本耦合至可控载台，所述可控载台配置成将所述反射器移动至所述第一反射器位置中和所述第二反射器位置中。

10.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含位于所述反射器附近的转向电极，以便基于所述样本与所述离子束或所述电子束之间的相互作用来引导从所述样本发射的二次带电粒子。

11.根据权利要求10所述的系统，其进一步包含二次带电粒子探测器，所述二次带电粒子探测器设置成接收从所述样本发射并且由所述转向电极引导的所述二次带电粒子。

12.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含：

光束源，其配置成沿着光子束轴在所述样本位置处产生并聚焦光子束，并且其中所述反射器进一步定位和配置成接收由所述样本位置处的样本发射的光，所述光由所述样本与所述光子束之间的相互作用产生，所述反射器进一步成形为将所述光反射到光检测系统。

13.根据权利要求12所述的系统，其中从所述样本发射的所述光对应于拉曼发射。

14.根据权利要求12所述的系统，其中从所述样本发射的所述光对应于拉曼散射。

15.一种方法，其包含：

以第一显微术模式操作显微术系统，其中电子束与样本位置处的样本相互作用并且引起第一模式光子和电子发射，所述第一模式光子包括通过阴极发光过程产生的光子；以及

以第二显微术模式操作所述显微术系统，其中离子束与所述样本位置处的样本相互作用并且引起第二模式光子发射，所述第二模式光子包括通过离子诱导发光过程产生的光子和/或通过原子去激发过程产生的光子。

16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包含将反射器定位在所述样本位置附近，使得所述电子束在所述第一显微术模式期间穿过所述反射器的第一孔，并且使得所述离子束在所述第二显微术模式期间穿过所述反射器的第二孔。

17.根据权利要求15所述的方法，其进一步包含选择性地旋转或移动所述反射器以改变所述电子束或所述离子束在所述样本上的入射角。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述反射器包含一个或多个开槽孔，所述开槽孔配置成允许改变所述电子束或所述离子束的所述入射角。

19.根据权利要求15所述的方法，其进一步包含通过将通过所述原子去激发过程产生的所述光子的波长与元素的光谱分布相关联来执行所述样本的二维元素分析。

20.根据权利要求15所述的方法，其进一步包含至少部分地基于通过所述原子去激发过程产生的所述光子来执行所述样本的三维深度剖析、终点测量或两者。

21.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一显微术模式和所述第二显微术模式使用共同的反射器和共同的检测系统。

22.根据权利要求15所述的方法，其中在所述第一显微术模式和所述第二显微术模式中均产生二次带电粒子，并且其中所述方法进一步包括将转向电极定位在所述反射器附近，以便引导从所述样本发射的二次带电粒子。

23.根据权利要求15所述的方法，其进一步包含以第三显微术模式操作显微术系统，其中光子束与样本位置处的样本相互作用并引起拉曼发射。

24.根据权利要求15所述的方法，其进一步包含以第三显微术模式操作显微术系统，其中光子束与样本位置处的样本相互作用并引起拉曼散射。

25.一种系统，其包含：

离子束源，其配置成沿离子束轴在样本位置处产生并聚焦离子束；

电子束源，其配置成沿电子束轴在所述样本位置处产生并聚焦电子束；以及

共享光子检测系统，其通过重合点几何结构配置，用以检测通过所述样本与所述离子束的相互作用以及通过所述样本与所述电子束的相互作用所产生的光子。