CN110491755B - 阴极发光光学集线器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于在电子显微镜中收集、分布和分析阴极发光(CL)和其他光信号的装置。利用线性平移折叠镜的并且被安装到电子显微镜的光学集线器被用于接收从收集镜收集的基本准直的光，并且将所收集的光有效地路由到多个光分析仪器。所述线性平移折叠镜能够提供对光信号的精细位置对准，并且在本发明的一方面中，能够被用于选择或扫描所收集的光图案的部分到光学狭缝或孔隙中。在一个方面中，所述光学集线器包括能够跟踪所述折叠镜的移动的滤波器机构。在一方面中，所述光学集线器还控制将所述收集镜定位在被分析的样品附近。

Description

阴极发光光学集线器
相关申请的交叉引用
本申请主张于2018年5月14日提交的美国临时专利申请No.62/671152的优先权，其全部内容由此通过引用并入本文。
技术领域
当高能带电粒子(诸如电子束或离子束)轰击样本时，能够取决于样本材料而发射光子。这种现象被称为阴极发光(CL)。对从紫外光(UV)到可见光到红外光(IR)的波长范围内的这些光子的收集和检测能够提供关于研究中的样本的大量信息。通常在电子显微镜中检查关于样本的CL，并且通过将光子引导到例如光传感器、图像阵列或光谱设备来收集CL，光传感器、图像阵列或光谱设备中的任意一个或全部可以位于电子显微镜射束柱的外部。电子显微镜射束柱的内部被保持在低压下，因此电子能够行进到样本而不会被射束柱中的气体显著散射。在收集了光之后，所述光能够从低压环境传送通过光学窗口并且传送到分析CL光的仪器中。
收集经由CL发射的光子的常用方式是经由收集镜，收集镜可以是抛物面镜，其位于关于电子束(e-束)的轴上，并且在样本上方(更典型地)或下方或者在样本上方和下方两者。在收集镜位于样本上方的情况下，在关于电子束的轴上，镜子将具有孔以允许电子束无阻挡地穿过镜子到达样本。
包括所发射的光子的CL信号包含关于发射所述信号的样本的大量信息。对CL信号的分析可以利用总CL强度、光谱信息、偏振信息以及角分辨的光发射。CL信号常常很弱，并且常常重要的是保留尽可能多的信号以用于分析。此外，具有单独的分析光学器件和检测器常常是重要的，其在本文中被称为CL仪器，每个CL仪器针对特定信号进行优化。例如，如果光谱信息对于分析不重要，则可能最好将收集的光直接耦合到光传感器中，而不是使光穿过光谱仪(其中，光的一些部分丢失)并且然后进入到光传感器中。
将CL镜在样本上对准使得CL镜的焦点精确地处在样本上电子束轰击并且CL被发射的斑点处会是困难并且耗时的过程。因此，如果多个仪器被安装在显微镜柱上并且CL镜针对每个仪器被对准，则对CL光执行超过一种类型的分析会是困难的。可以组合用于CL分析的多个仪器，允许用户使用相同的CL收集镜，而无需针对多个测量相对于样本进行重新定位。然而，关于组合的多个仪器的一个困难是在CL光中包含的任何信息(包括例如CL强度、光谱信息、偏振信息以及角分辨的光发射)的损失最小的情况下将收集的CL光引导到不同的仪器。
附图说明
图1是用于在电子显微镜中收集阴极发光的光的装置的图；
图2是利用光学集线器设计的示例性CL光学系统的示意性绘图；
图3是利用光学集线器设计和三个单独的CL检测仪器的示例性CL光学系统的示意性绘图；
图4是利用配备有可移动滤波器机构的光学集线器设计的示例性CL光学系统的示意性绘图；
图5是利用光学集线器设计的示例性CL光学系统的示意性绘图，该示例性CL光学系统配备有可移动滤波器机构，并且被配置用于对光学集线器折叠镜的精细位置控制以选择要穿过光学孔隙的图像图案的部分；
图6是示例性CL光学集线器的等轴绘图；并且
图7示出了根据本发明的一方面的光学集线器的内部组件。
具体实施方式
本领域技术人员将认识到能够采用本发明的教导而开发的其他详细设计和方法。在此所提供的范例是例示性的，并且并不限制本发明的范围，本发明的范围由随附的权利要求来限定。下文的详细描述参考了附图。在不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
在典型的CL仪器中，如在图1中所示的，电子显微镜100(未示出)产生电子束10，电子束10离开极片12并且被引导至样本30。在电子束10轰击样本30的点32处，可以生成阴极发光(CL)的光34。提供可以是抛物面镜的收集镜20以将CL光34反射到检测器，所述检测器可以位于电子显微镜100的外部。收集镜20通常将具有孔隙22以允许电子束10穿过，因为镜子20可以由否则将阻挡电子束的材料(例如，金刚石抛光的铝)制成。当恰当地聚焦在样本30上时，由收集镜20收集的CL光34产生光图案35，光图案35沿着镜子20的出射光轴(未标记)被准直。在典型的CL仪器中，通过收集镜20收集的光使用一系列折叠镜以及可能的光学开关被发送到不同的CL分析仪器，以将光图案35路由到各个仪器。
在本发明的一方面中，如在图2中所示的，“光学集线器”150被配置为将由收集镜20收集的光传输到不同的CL分析仪器(未示出)。光学集线器150经由端口调节器140连接到电子显微镜100，端口调节器140还可以被配置为在垂直于光轴36的方向上调节光轴36的位置。光学集线器150的内部与电子显微镜100的内部共享相同的低压环境。光学集线器150的内部部件包括不“污染”电子显微镜100的环境的材料，并且使得在电子显微镜100内产生的X射线辐射安全地包含在电子显微镜100和光学集线器150内。可以包括电动机驱动的导螺杆的线性致动器160使托架162平行于光轴36移动并且使得折叠镜164拦截并且重新引导通过光学窗口222、224、226以及电子显微镜100的低压环境外部的大致准直的光图案35。这种方案的一个重要优点是对所支持的光学窗口的数量没有基础限制，并且经由移动托架162对折叠镜164的位置的可调节性质允许将光图案35精细对准到被安装在光学窗口(例如，222、224和226)外部的CL仪器中。此外，光学集线器150能够利用不同的CL仪器容易地重新配置，而无需更改光学集线器(150)组件。光学集线器方案的另外的优点在于：与典型设计方案相比，可能需要更少的折叠镜和光学开关。
在本发明的另外的方面中，如在图2中所示的，提供了机构172以将收集镜20支撑在样本30上方。为了获得最佳性能，收集镜20可以被精细地定位，使得收集镜20的焦点与电子束聚焦在样本30上的电子显微镜100重合。能够将收集镜20缩回足够的距离以使其在CL光子被收集时不干扰电子显微镜100的操作也是有用的。能够利用线性致动器170实现缩回和精确定位，线性致动器170可以包括电动机驱动的导螺杆，其使机构172平行于光轴36移动。可能需要协调托架162和机构172的运动以防止碰撞。例如，控制器(未示出)可以控制托架162相对于机构172的移动。
图3示出了示例性CL系统，其具有如上文所描述的光学集线器150，以及被安装在光学集线器光学窗口222、224和226(在图3中未标记)上方的三个单独的CL检测仪器232、234、236。折叠镜164的位置选择哪个仪器能够分析光图案35。可以使用的三个CL检测仪器222、224和226的范例是：(1)用于测量强度与波长的光谱仪，(2)用于以高量子效率测量总强度的光电倍增管(PMT)，以及(3)用于测量和/或捕获图像图案中的光的分布的相机。
在本发明的另外的方面中，如在图4中所示的，可以包含一个或多个光学滤波器或偏振器的光学滤波器机构229能够在光学图案35被折叠镜164引导之后被移动以拦截光图案35，或者能够被移动到光学图案35的路径之外。光学滤波器机构229理想地能够沿着轴36行进到光学窗口(例如，222、224和226)中的任意光学窗口，并且可以使用线性致动器228来移动。CL检测仪器(例如，222、224和226)被安装在光学滤波器机构上方，并且在图4中未示出。滤波器机构229可以包括多个滤波器，所述多个滤波器被布置为能由滤波器选择致动器来远程地选择。
在本发明的另外的方面中，如在图5中所示的，可以是CL检测仪器内部的狭缝或孔(例如，仪器222、224或226中的一个)的光学孔隙250被配置为限制被允许行进经过光学孔隙250的光图案35的部分。折叠镜164的位置的可调节性质允许将光图案35精细定位到光学孔隙250上，使得穿过孔隙250的光图案35的部分可以被调节。该能力任选地可以与光学滤波器机构229的使用相组合。
图6是根据本发明的一方面的光学集线器150的等轴绘图。光学集线器150经由端口调节器140在安装凸缘210处安装到电子显微镜(未示出)。光学集线器150包括收集镜20和镜支撑机构172。
图7示出了根据本发明的一方面的光学集线器150的内部组件。被配置为支撑收集镜20的机构172利用导螺杆272和电动机273来移动。折叠镜托架组件162(在此被示为没有安装折叠镜164以便清楚)经由导螺杆262和电动电机263来移动。
在本发明的另外的方面中，光可以经由光学集线器折叠镜164从电子显微镜100的外部引入并且通过收集镜20的方式或者从电子显微镜100内的其他源引入到样本30。在本发明的该方面中，由收集镜20收集从样本30出射的一些光可以包括：从有源电子器件发射的光，或者入射在样本30上的与光源波长移位的、反射的、荧光发光的、散射的光。
尽管上文已经详细描述了本发明，但是应当清楚地理解，本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的主旨的情况下可以修改本发明。在不脱离本发明的主旨和范围的情况下，可以对本发明进行形式、设计或布置的各种改变。因此，上文所提到的描述应当被认为是示例性的，而非限制性的，并且本发明的真实范围是在以下权利要求中限定的。
除非明确地这样描述，否则在本申请的说明书中所使用的元件、动作或指令不应当被解读为对本发明是关键或必要的。同样地，如在本文中所使用的，冠词“一”意指包括一个或多个项。此外，除非另有明确说明，否则短语“基于”意指表示“至少部分地基于”。

Claims (14)

1.一种用于在电子显微镜中收集和分析光的装置，包括：
在远端处支撑收集镜的机构，所述机构被配置为延伸到所述电子显微镜的样本室中并且将所述收集镜定位在分析中的样本附近；
所述收集镜被配置为使得由所述收集镜收集的光形成沿着线性轴被准直的光图案，并且形成所述光图案的光线基本上彼此平行；
第一线性致动器，其具有支撑折叠镜的托架，所述折叠镜被设置成接收由所述收集镜引导的光；
其中，所述第一线性致动器被配置为将所述折叠镜移动到多个固定位置，所述固定位置中的每个固定位置与被布置用于对所述光进行分析的一组光学器件或检测器相关联。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：
可移动光学滤波器组件，所述可移动光学滤波器组件被配置为与所述折叠镜协调地移动到所述多个固定位置。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括：光学孔隙或狭缝，其位于阴极发光检测仪器的部分中，并且其中，所述折叠镜被配置为引导所述光图案的部分通过所述孔隙或狭缝。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，支撑收集镜的所述机构包括第二线性致动器，所述第二线性致动器被配置为在分析中的所述样本上方或下方定位或移动待调节的所述收集镜。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，由所述收集镜收集的所述光是阴极发光的光或者从所述样本出射的其他光，包括：从有源电子器件发射的光，或者入射在所述样本上的与光源波长移位的、反射的、荧光发光的、散射的光。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一线性致动器包括第一导螺杆和第一电动机。
7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第二线性致动器包括第二导螺杆和第二电动机。
8.根据权利要求2所述的装置，还包括：
第三线性致动器，其被配置为定位所述可移动光学滤波器组件。
9.根据权利要求2所述的装置，其中，所述可移动光学滤波器组件包括：多个光学滤波器；以及光学滤波器选择致动器，其被配置为将所述多个光学滤波器中的一个光学滤波器与所述折叠镜对准。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述折叠镜还被配置为将光引入到所述电子显微镜中。
11.根据权利要求1所述的装置，还包括：
端口调节器，其被配置为：将所述装置安装到电子显微镜端口，并且在垂直于所收集的光的光轴的一个或多个方向上调节所述光轴的位置。
12.根据权利要求2所述的装置，还包括：
位于阴极发光检测仪器中的光学孔隙或狭缝，并且其中，所述折叠镜被配置为定位所述光图案的部分通过所述孔隙或狭缝，并且其中，光学滤波器被定位在所述折叠镜与所述光学孔隙或狭缝之间。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，在远端处支撑收集镜的所述机构、具有支撑折叠镜的托架的所述第一线性致动器以及所述折叠镜全部位于包括所述电子显微镜的部分的低压室内。
14.根据权利要求4所述的装置，其中，在远端处支撑收集镜的所述机构、具有支撑折叠镜的托架的所述第一线性致动器、所述折叠镜和所述第二线性致动器全部位于包括所述电子显微镜的部分的真空室内。
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