CN114730684A - 阴极射线发光电子显微镜 - Google Patents

Abstract

一种具有电子柱的扫描电子显微镜，该电子柱定位成将电子束引导到样品上，该电子柱具有：真空外壳；电子源；以及定位在真空外壳内的电磁物镜，该电磁物镜包括壳体，该壳体在其顶面具有入口孔径且在其底部具有出口孔径；径向定位在壳体内的电磁线圈；光物镜，其定位在壳体内并且包括具有第一轴向孔径的凹镜和具有第二轴向孔径的凸镜；电子束偏转器，其定位在壳体内并且包括第一组偏转器和定位在第一组偏转器下方的第二组偏转器，其中，第二组偏转器定位在第一轴向孔径下方，并且第一组偏转器定位在第二组偏转器上方。

Description

阴极射线发光电子显微镜

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年5月9日提交的序列号为62/845,722的美国临时申请的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及包括电磁透镜的扫描电子显微镜。特别地，但不排他地，本发明涉及扫描阴极射线发光显微镜。本发明同样涉及测量装置和操作上述显微镜的方法。

背景技术

与光学显微镜相反，电子显微镜是使用加速电子作为照明源的显微镜。由于电子的波长可以比可见光光子的波长短到最多达100,000分之一，因此电子显微镜具有比光学显微镜更高的分辨率，可以揭示更小的物体的结构。

扫描电子显微镜(SEM)是一种类型的电子显微镜，其通过用聚焦的电子束扫描样品来产生样品的图像。电子与样品中的原子相互作用，产生各种可检测的信号，其中包含有关样品表面形貌、结构和成分的信息。电子束通常以光栅扫描模式进行扫描，但也可以使用其他扫描技术，并且将电子束的位置与检测到的信号组合以产生图像。SEM可以达到优于1纳米的分辨率。SEM产生的信号类型包括二次电子(SE)、背散射电子(BSE)、特征X射线、光(阴极射线发光，CL)、样本电流和透射电子(TEM)。

样本在电子轰击时发射的光称为阴极射线发光。阴极射线发光测量可以在扫描电子显微镜中如此进行，即，使用电子显微镜的高度聚焦电子束探针在样本表面上扫描，并且记录作为电子束在样本上位置的函数的阴极射线发光信号强度。可以生成阴极射线发光图，其提供比通过光学显微镜获得的宽视场光致光学图像更高分辨率的光谱信息。

通常，电子显微镜的对准以二次电子模式进行。在这种模式下，在轰击样本时提取的电子(二次电子)强度被记录为电子探针位置的函数。二次电子图的对比度主要与样本的表面形态有关。二次电子图可以实时生成，且可用于最小化电子显微镜的探针大小。优选在探针大小被最小化之后，测量阴极射线发光图。

今天，大多数商业阴极射线发光测量解决方案是用于现有电子显微镜的第三方附件。它们至少由光收集装置和光检测器组成。图1示意性地说明了传统电子显微镜的一部分截面。用于重定向光束4的收集光学器件3的第一元件通常是抛物线型或椭圆形反射器(反射镜)，被插入在电子光学柱的最后一个电磁透镜5(称为电子物镜)和样品7(也称为样本7)之间。收集光学器件包括用于电子束9穿过它的中心孔。抛物线型反射器3的焦点与电子束在样品上的焦点重合。这种系统的缺点有三个：

首先，反射器3必须大，以保持良好的光学和机械性能，例如高反射率、良好的波前均匀性、大视场和良好的机械稳定性。反射器越大，工作距离越大，即，样品7与电子显微镜最后一个透镜5之间的距离越大。然而，电子光学器件在更短的工作距离(几毫米)内实现了更小的电子束探针。因此，必须在小电子束探针大小与阴极射线发光检测的良好光学和机械性能之间找到折衷。

其次，反射器3屏蔽或阻挡用于提取二次电子的电场，从而妨碍二次电子的最佳收集。这降低了二次电子模式下的信噪比，使电子探针大小的优化更加困难，并且降低了可以实现的最佳空间分辨率。

第三，在普通阴极射线发光收集系统中使用的抛物线型/椭圆形反射器的视场限于几微米。视场对应于反射器焦点周围的区域，该区域可以在不损失光的情况下成像到检测器上。因此，为了在不损失光的情况下获得阴极射线发光图，样本必须非常精确地定位在焦点处，并且电子探针必须在反射器的视场内扫描样本。然而，很难将样本定位在反射器的焦点处，同时确保电子探针具有最佳大小并扫描正确的区域。需要进行繁琐的、经常性的对准，这只有在样品发出大量光时才可行。在实际操作中，这样的重复性工作无法正常进行，降低了收集效率。中大面积扫描(超过几微米)受到收集效率显着不均匀性(渐晕)的困扰，并且无法产生定量阴极射线发光图。

大多数上述问题可以通过使用包括一个凹镜、一个凸镜和一个平面镜的复合反射物镜来解决，如图2示意性所示。这是电子束探针显微镜领域的已知解决方案，其中反射物镜用于对样本表面成像。在大多数实施例中，使用了类卡塞格林(Cassegrain-like)的反射物镜。类卡塞格林的反射物镜由两个球面镜组成，它们的位置使得它们比单个抛物线型镜或椭圆镜提供大得多的视场。大型凹球面镜M1放置在样本上方，以便它将来自样本的光反射到放置在样品和M1之间的小型凸面球面镜M2上。反射镜M2被布置为沿电磁物镜5的光轴重定向光，平面镜M3将光束重定向到输出。所有三个反射镜M1、M2和M3都有用于电子束路径穿过的孔，因此电子束不会受到阻碍。

类卡塞格林的反射物镜的工作距离大，可以安装在电子显微镜的电子物镜5内。视场显著大(通常为几百微米)，且该布置可用作光学显微镜的物镜。由于电子物镜下方没有反射镜，二次电子没有被屏蔽，工作距离可以根据需要尽可能短以达到高空间分辨率(小型电子探针大小)。

然而，该解决方案主要用于对用强光源照射的样品进行成像。它不适合测量每秒或每分钟仅发射少量光子的微弱阴极射线发光信号。因此，当今使用的反射物镜的数值孔径(NA)很低(通常低于0.3)，不适合在低光强条件下实现高收集效率。值得注意的是，尚未公开如何在扫描电子显微镜的电子物镜内嵌入高数值孔径反射物镜(NA>0.4)，同时保持扫描大样本区域的能力。

对于将光收集结合到粒子束柱中的系统的进一步公开，读者可参考第3,845,305号美国专利、第2013/0335817号和第2019/0103248号美国公开、以及第2173436号法国专利。这些公开试图解决的一个问题是如何在小区域中结合所有各种粒子和光用光学元件以实现短工作距离。例如，第2019/0103248号美国公开和法国专利FR 2173436将光学元件置于电磁元件下方。然而，这会导致相对较大的工作距离，由于电子束内的电子相互排斥而导致电子束扩展。

发明内容

为了提供对本发明的一些方面和特征的基本理解，在说明书中包括以下发明内容的概述。该概述不是对本发明的广泛概述，因此它不旨在具体确定本发明的重要或关键元件或界定本发明的范围。其唯一目的是以简化形式呈现本发明的一些概念，作为下文呈现更详细描述的前序。

本发明的一个目的是克服上述与扫描电子显微镜相关的问题。特别地，本发明的目的是展示如何将高数值孔径反射物镜集成在扫描电子显微镜的电磁电子物镜中而不降低电子显微镜的性能，包括空间分辨率、视场等。

根据所公开的方面，提供了一种集成定量阴极射线发光扫描电子显微镜，其中，光用光学元件同轴定位在由电磁光学元件占据的空间内。

在公开的实施例中，收集镜定位在电子柱的电磁物镜内。每个收集镜都有中心孔径，使电子束能够穿过。束扫描元件也被放置在电磁物镜内。束扫描元件被放置在收集镜的“阴影”内，以免干扰光收集。在一些情况下，一些或所有束扫描元件可以被至少部分地放置在收集镜的一个或两个孔径内。

所公开的实施例的优点在于，电子束偏离装置(束扫描元件)可以非常靠近样品放置，与传统的扫描电子显微镜相比，能够增加扫描面积。此外，束扫描元件位于显微镜中，因此它们不会对光造成任何进一步的阻碍。通过确保电子束穿过电磁物镜的中心(该中心位于电磁物镜的光轴与产生的磁场具有最大值的位置的交点处)，由于样品扫描引起的任何光学像差可以最小化。

附图说明

包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图例示了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释和说明本发明的原理。附图旨在以图解方式说明示例性实施例的主要特征。附图并非旨在描绘实际实施例的每个特征或所描绘元件的相对尺寸，并且未按比例绘制。

本发明的其他特征和优点将通过参考附图的非限制性示例性实施例的以下描述而变得显而易见，其中：

-图1是根据现有技术的电子显微镜的下部的示意性截面图；

-图2是根据现有技术的另一个电子显微镜的下部的示意性截面图；

-图3是根据一个实施例的阴极射线发光扫描电子显微镜的下部的示意性截面图；

-图4是根据一实施例的集成定量阴极射线发光扫描电子显微镜的截面；

-图5a和5b是扫描电子显微镜的下部的简化示意性截面图，说明了电子束偏转器的作用；

-图6a至6d是展示根据本发明的扫描电子显微镜中使用的反射物镜的各种几何形状的示意图；

-图7是根据本发明另一实施例的阴极射线发光扫描电子显微镜的下部的示意性截面图；以及

-图8是说明根据本发明的一个示例操作扫描电子显微镜的方法的流程图。

具体实施方式

下面参考附图更详细地描述本发明的一些实施例。出现在不同附图中的相同功能和结构元件被分配有相同的附图标记。

现在将参考附图描述本发明的阴极射线发光扫描电子显微镜的实施例。不同的实施例或它们的组合可用于不同的应用或实现不同的益处。取决于寻求实现的结果，本文公开的不同特征可以部分地或完全地、单独地或与其他特征组合使用，平衡优势与要求和约束。因此，将参考不同的实施例来强调某些益处，但不限于所公开的实施例。即，本文公开的特征不限于在其中描述它们的实施例，而是可以与其他特征“混合和匹配”并包含在其他实施例中，即使这些在本文中没有明确描述。

图3展示了阴极射线发光扫描电子显微镜的下部与样品或样本7一起的截面图。图4以截面图显示了类似显微镜的下部。如图4所示，显微镜总体包括容纳在真空外壳10内的电子柱41和在大气环境中的成像元件42。图4所示的集成显微镜可以生成电子束图像、光束图像、阴极射线发光(CL)图像和CL光谱图像。成像的CL发射可以与纳米级样品材料的结构和质量相关。CL数据可以揭示使用其他成像模式无法看到的材料应力、杂质、晶体以及次表面缺陷。重要的是，CL成像是一种无损检测样品的方法。

电子柱包括发射电子的电子源1，例如热离子源或场发射源。发射的电子被各种粒子-光学元件制成电子束9，粒子-光学元件例如为电磁透镜5'、电磁物镜5以及孔径盘(有时称为光阑)6。注意，任何孔径盘6都可以通过向其施加电位而起作用为静电透镜。在图4中，脉冲2表示在该特定示例中，来自源1的电子发射以脉冲形式进行，但这不一定如此。例如，发射可以连续进行，或者可以使用遮光器(shutter)来生成间歇发射。

在图3中更详细地示出电磁物体透镜5，也被简称为电磁物镜。以已知方式提供线圈11以生成磁场，该磁场在该图中为在电磁物镜5的光轴z(图6a至6d)的水平上基本上水平的磁场。大部分磁场可以位于输出或出射孔径13的水平上，或者大部分磁场可以在透镜和样本之间的区域之外。由于电磁物镜5可以被认为是厚透镜，它具有第一主平面和第二主平面。在图3的图示中，第一主平面将是上平面，第二主平面将是下平面。在这种配置中，电子束射线将被偏转的第二主平面即是电子束聚焦发生的地方。在以下说明书中，假设大部分磁场位于第二主平面与电磁物镜5的光轴的交点处。该交点轴向位于样品7和第一偏转器17的下端之间，如稍后解释的。

磁场的目的是生成会聚电子束9，该电子束可以聚焦到样品7的表面上。在该示例中，由电子发射器1生成的电子束9从图的顶部向下传播。电子束跨度可以通过聚束器装置(例如，透镜5')进行修改，以便电子束可以发散、准直或会聚。聚束器装置可以被放置在电子发射器下方。电子束通常具有几毫米范围内的宽度，例如在2和3mm之间范围内的宽度。

电磁物镜5可以沿其光轴旋转对称，该光轴基本上与电子束9的路径重合。电磁物镜5被设计为使得从源1以有限或无限距离(准直光束)发出以穿过电磁物镜5中心的电子束将聚焦到焦平面上，如稍后解释的。可以通过改变流过电磁物镜5的磁场强度来调整焦平面的位置，更具体地说是在样品上方的高度，尽管透镜经过优化以当焦平面被放置在电磁物镜5中心下方约5mm处时产生最小的探针大小。

透镜5沿其光轴具有中空内部，以便电子束9可以穿过。中空部分(通道或间隙)足够宽，使得从样品7发出或反射的光(如稍后解释的)也可以毫无阻碍地穿过。由于优选将电磁物镜5的输出孔径13保持得尽可能小，以保持良好的电子光学性能，因此优选地构建系统以使得工作距离保持较小。

可以看出，在电磁物镜5内提供反射物镜，用于对样品7的表面进行成像。在该示例中使用Schwarzschild反射物镜。Schwarzschild物镜是双镜式反射物镜，它关于光轴z旋转对称(基本上与电子束的路径重合，参见图6a至6d)，是消球差的和无限远校正的。在几何光学的背景下，如果平行于光轴进入物镜的所有光射线都聚焦在同一焦点上以形成衍射限制光斑，或者相反，从焦点发出且穿过物镜的所有光射线形成一束平行于光轴的光射线或等效的准直输出光束，则物镜是无限远校正的。电磁物镜5和反射物镜可以具有相同的焦平面。

如果物镜同时满足阿贝正弦定律和拉格朗日条件(也称为费马原理)，则它是消球差的。对于无限远校正的物镜，阿贝正弦定律指出，穿过焦点并与光轴形成角度α的光射线将平行于光轴并在距离光轴y'处离开物镜，因此y'＝m×sin(α)，其中，m是实常数。至少在焦点附近应该满足该定律。对于无限远校正物镜，拉格朗日条件指出，在焦点和与光轴正交并位于准直光束内的平面之间的光射线所遵循的光路是恒定的，无论角α的值是多少。

可以使用光学像差理论来评估消球差的物镜的优势。像差描述了成像光学系统与理想情况的偏差。理想的成像光学系统是(1)消像散和(2)消色差的，即，(1)由光学系统成像的、位于距光学系统有限或无限远的点的图像是一个点(或更准确地说是光斑的大小受光的衍射限制)，以及(2)像点的位置不依赖于光的波长。像差对光学系统成像特性的影响是使点物体的衍射限制图像变形。Seidel开发了一种描述单色像差的方法(以及其他方法)。在这里，像差根据它们的相对重要性(作为奇幂级数的术语)以及它们对通过成像光学系统的点源图像的影响进行分类。幂级数的三阶项描述了最基本的像差(称为三阶像差)，诸如球面像差和彗差、像散、场曲和畸变。

从球面像差和彗差校正消球差的物镜。球面像差影响点物体的图像，与物体的轴上或离轴位置无关。轴上和离轴在此应分别理解为从光轴上的物体发出的射线和从距光轴一定距离的物体发出的射线。受球面像差影响的物镜根据入射光射线与光轴形成的角度，将入射光射线聚焦在沿平行于光轴的轴上的不同位置，从而导致与图像的衍射限制光斑大小的偏差。当物体离轴时，彗差会影响点物体的图像。受彗差影响的物镜根据入射光射线与光轴的角度以及点物体相对于光轴的位置，将入射光射线聚焦在垂直于光轴的平面中的不同位置。彗差将原本受衍射限制的圆形对称光斑转变为彗星形光斑。

使用无限远校正物镜工作具有优势。首先，因为离开物镜的射线平行于光轴，例如如果添加另一个透镜，则可以在沿光轴的任何轴向距离处形成物体的图像。其次，可以在不修改图像位置的情况下添加光学元件，例如板、偏振器、空间和光谱滤波器。Schwarzschild反射物镜的计算方式是，Schwarzschild反射物镜在其焦点处具有所需的光学特性。Schwarzschild反射物镜也是消球差的，这意味着这些特性在离开焦点时不会发生显着变化。Schwarzschild反射物镜将在大视场(高达几度)内保持相对良好的光学性能，即，从焦平面内的点离轴发射的光将产生几乎准直的输出光束。相反，以相对较大的角度(最多几度)进入物镜的准直光束将在焦平面上形成相对较小的光斑(几乎受衍射限制)。

应当注意，当使用非无限远校正反射物镜时，本发明的教导也适用。例如，电磁物镜与聚焦物体的带有后焦平面的Schwarzschild物镜可以很好地配合使用。

从图3和图4中可以看出，电磁物镜5内的反射物镜包括：第一反射镜M1，也称为主反射镜，在该示例中为球面和凹面；以及第二反射镜M2，也称为次反射镜，在本例中为球面和凸面。第一反射镜M1的直径大于第二反射镜M2的直径。第一反射镜M1位于第二反射镜M2上方，并被布置为反射由于电子束9撞击样品7的表面而来自样品的光，并将光导向放置在样品和第一面反射镜M1之间的第二反射镜M2。第二反射镜M2被布置为沿电磁物镜的光轴重定向光(在图3中向上)，且第三反射镜M3(在这个示例中是平面的)被布置为将光束4重定向到输出，如图4所示。在此示例中，第三反射镜M3与电子束9轴成45°角，用于将光重定向到真空外壳10之外。所有三个反射镜M1、M2和M3在电子束路径上有孔径或开口，以便电子束不受阻碍。

图3和图4所示的显微镜还包括：第一电子束偏转装置17，称为第一偏转器元件或简称为第一偏转器17；以及第二电子束偏转装置15，称为第二偏转器元件或简称为第二偏转器15。可以看出，在图3和4所示的第一实施例中，第一偏转器17至少部分地位于第二反射镜M2的孔径内，而第二偏转器15至少部分地位于第一反射镜M1的孔径内。换言之，第一偏转器17从第二反射镜M2的孔径径向向内定位并且与该孔径至少部分地轴向重合，而第二偏转器15从第一反射镜M1的孔径径向向内定位并且与该孔径至少部分地轴向重合。偏转器15、17的位置使得它们不会阻碍电子束9或反射光束的传播。

每个偏转器可以包括例如四个纵向电导体(四极)，也称为电极。它们还可以包括四个磁线圈(磁偏转器)。然而，电极或磁极的数量也可以不同于四个。例如，可能有八个电极或磁极(八极)，而不是四个，这样也可以校正电子束的像散。在这种情况下，四个电极或磁极称为消像散器，用于校正像散。

电子束特性会受到沿其路径的电磁元件的影响。可能位于发射器之后的聚束透镜5'的球面像差和色差会限制束形成的质量，从而限制光斑大小。如果电子光学元件中的开口直径不是圆形，或者相对于光轴发生位移或倾斜，则可能会导致聚焦光斑中潜在的严重像散形式。在这些情况下，所产生的电场或磁场的椭圆形状将导致称为椭圆度像散的像差。所产生的聚焦光斑的截面在一阶上将是椭圆形而不是圆形。这种形式的像散可以通过使用消像散器来校正，其最简单的形式是围绕束布置的相反电子或磁场的n-极元件。相同的n-极元件可用于偏转束和校正像散。

电极沿电子束轨迹放置；然而，电极允许电子束穿过电磁物镜5中的通道和反射镜M1、M2和M3中的孔径而不会阻碍电子束。偏转器被用于使得电子束的轨迹偏转，以便电子束可以在样品7的表面上扫描。样品7在电磁物镜5的焦点处或焦平面中被定位在样品架47上，使得从第一偏转器17到样品7的距离小于电磁物镜5的焦距的二十倍。

由于对电磁物镜5的限制，更具体地说，由于需要大的中空内部以允许光穿过，传统的电磁物镜通常遭受相对强的离轴像差，从而在样品表面上的扫描偏离了电磁物镜的光轴的位置。因此，为了使本发明中的这种离轴像差最小化，扫描被设计为以电子束9与电磁物镜5在其中心相交的方式进行，其中，电磁物镜5的光轴与第二主平面相交。在该示例中，第二主平面与输出孔径13的位置重合。这在图5a和5b中示意性地示出。第二偏转器15被设置成在一个方向上偏转电子束9，而第一偏转器17被设置成抵消第二偏转器的作用，使得电子束穿过电磁物镜5的中心。在这个示例中，两个静电八极被用于偏转电子束，使电子束可以向任何方向偏转，并且还可以校正像散。通过改变施加到两个偏转器15、17的电压比并且选择使像差最小化的扫描电压来获得用于电子束9的最佳枢转点。通过在扫描期间小心地保持两个偏转器15、17之间的电压比，可以保持在透镜中心处的用于电子束9的固定枢转点。在所示示例中，枢转点位于出口孔径13处。

偏转器离电磁透镜的第二主平面越远，偏转电子束所需的电场越强。要注意的是，电子束9通常不与偏转器15、17接触。为了最小化成本和技术问题，诸如与高压偏转器的制造相关联的更好的电隔离、冷却、昂贵的电源或较慢的最终扫描速度，偏转器有利地沿光轴尽可能靠近电磁物镜5的第二主平面定位。这意味着高压偏转器有利地至少部分地插入反射物镜内。

偏转器15、17的位置、形状和大小被选择为使得偏转器不阻碍任何光，或阻碍在任何情况下都会被反射物镜阻碍的由样品7发射的光的仅一部分。第一偏转器17被定位在由第二反射镜M2生成的阴影锥内，即，被定位在由第二反射镜M2的外径和在样品表面上的光轴与样品表面相交的交点限定的假想锥内。阴影锥也可以被限定为这样的假想锥，该假想锥由主反射镜M1的孔径直径和在样品表面上的光轴与样品表面相交的交点限定。偏转器17通常被定位在阴影锥内。

为了能够将两个偏转器15、17定位在反射物镜内，在该实施例中，第二反射镜M2的内半径被设计为足够大以容纳第一偏转器17，并且第一反射镜M1的外半径被保持为足够小，以使得电磁物镜5的大小和成本保持合理。这些实际上是确定双镜旋转对称反射物镜的形状和大小的两个参数。第二偏转器15可以至少部分地定位在第一反射镜M1的孔径内，或者如在该实施例中，在反射物镜上方延伸。因此，该实施例的第二偏转器15也在阴影锥内。因此，偏转器15和17不会阻碍可以由收集物镜收集的任何光。

第一反射镜M1的外半径可以在40mm至160mm的范围内，或者在50mm至70mm的范围内。在这个特定的示例中，主反射镜的外半径约为60mm，这保证了电磁物镜5的合理制造成本。第二镜M2的内半径可以在1mm至4mm的范围内，或在1.50mm至3mm的范围内。在该特定示例中，第二反射镜M2的内半径大约为2mm，从而可以将直径为4mm的偏转器插入到第二反射镜M2的孔径中。一旦选择了焦点，这两个约束唯一地限定了在本发明的实施例中使用的Schwarzschild反射物镜的几何形状。需要注意的是，反射镜孔径的径向截面可以是非圆形的。如果反射镜孔径的径向截面不是圆形，则上述半径应理解为孔径的最大横截面尺寸的一半。第一反射镜M1的孔径具有比第二反射镜M2更大的径向截面，以让次反射镜M2反射的光沿光轴穿过。

第一和第二反射镜可以彼此机械连接，但是以这些机械连接器不阻碍任何光或至少造成最小阻碍的方式。例如，第二反射镜M2可以通过支架固定到第一反射镜M1，所述支架由四个非常细以尽可能少地阻碍光的腿部组成。两个反射镜和机械连接器可以由例如相同的铝或铜铸件制成，以使得反射物镜是非热的，即，只要反射物镜被热化，就在所有温度下保持其光学性能。铝和铜的优点是它们具有高导热性且快速热化。反射镜可以被涂覆各种反射材料，诸如金属或电介质，以提高在给定光谱范围内的反射率。通向第一和第二反射镜M1、M2的任何电线也被设计成不会产生进一步的光阻碍。

给定Schwarzschild反射物镜的精确几何形状是通过指定第一反射镜M1的表面上的一个点和第二反射镜M2的表面上的一个点(相对于其焦点)的位置来唯一限定的。在实践中，更容易指定两个反射镜顶点相对于物镜焦点的位置。反射镜顶点是反射镜表面(或由于反射镜孔径导致的假想延伸部)与光轴z的交点。Schwarzschild反射物镜内的反射镜的形状和位置可以通过分析或数值计算。由于计算仅取决于两个参数，例如两个反射镜的顶点相对于物镜焦点的位置，可以通过改变这两个参数来计算出无数可能的Schwarzschild物镜的几何形状。图6a至6d图示了可以应用的各种反射物镜的几何形状。下面将更详细地讨论这些图。

出于实际原因，不可能在整个立体角上收集从样品7发出的光，并且收集角度被限制为接收锥，其对称轴是光轴z并且具有半顶角α。半顶角α决定了Schwarzschild反射物镜的数值孔径(NA)，其中，NA被限定为NA＝n×sin(α)(其中n＝1，因为物镜设计为处于真空中)。换句话说，数值孔径被限定为最大收集半角α的正弦值，即，光轴z与最极端收集角度形成的夹角。

限制最大收集角度也限制了反射镜M1和M2的最大外半径，如图6a到6d所示。从焦点O以最大收集半角α发出的射线将在第一反射镜M1上于点P1处且在第二反射镜M2上于点P2处反射。P1和P2分别定义了M1和M2的最大范围，以及Schwarzschild反射物镜的整体大小。可以看出，M2阻碍了一些发射光。因此，从焦点O发出并穿过P2的光射线将在M1上于P3点处和在M2上于P4点处反射。点P2限定了Schwarzschild物镜可能收集到的具有最小发射角的光射线。任何具有较小发射角(相对于光轴)的光都会被次反射镜M2阻碍，从而限定了阴影锥。

外半径在这里被限定为从光轴z到点P1或P2的径向距离。类似地，内半径被限定为从光轴z到点P3或P4的径向距离。由光轴和P3(P4)界定的第一反射镜M1的表面没有光学活性，因为它被第二反射镜M2遮蔽。对于给定的数值孔径，可以通过改变两个顶点的位置来调整第二反射镜M2的整体阻碍。类似地，可以调整两个反射镜的内半径和外半径。第二反射镜M2可以被设计为使得阻碍半角β小于30°，并且在一些实施方式中小于20°或15°。与光阻碍角相对应的立体角(这里由反射物镜的焦点和第二反射镜M2的外径限定)比与最大光收集角相对应的立体角(这里由反射物镜的焦点和第一反射镜M1的最大外径限定)至少小0.3球面度(sr)。这将确保充分收集阴极射线发光的微弱光。

在焦点O处发出的光的最终被反射物镜收集的分数部分不仅依据物镜的数值孔径和由第二反射镜M2造成的阻碍，还依据发射光的角发射强度。通过在立体角上对由反射物镜收集的光的角发射强度进行积分，可以确定已收集了多少分数部分的光。在许多情况下，由样品7在焦点O处发出的光遵循朗伯辐射图并且服从朗伯特氏余弦定律。这意味着从样品7的表面观察到的辐射强度与观察者的视线和表面法线之间的角度α的余弦成正比。

朗伯发射器的收集效率在低数值孔径下缓慢增加，并且随着数值孔径的增加而越来越快(直到数值孔径为0.71)。如果样品7以非常低的速率发射光子，则收集尽可能多的光子并使用大数值孔径很重要。根据本发明，数值孔径可以大于0.35。在某些变体中，它介于0.5和0.9之间，而在其他变体中，它介于0.6和0.8之间。在一些进一步的实施例中，它在0.65和0.75之间。在此特定示例中，它是0.72(即，相对于光轴的最大收集角为45°)，因此可以收集由朗伯发射器发出的50％的光。通过选择M2不覆盖大立体角的Schwarzschild几何形状，可以减轻由于第二反射镜M2的存在而造成的阻碍的影响。这可以通过将反射镜M2的顶点移动到尽可能靠近反射镜M1的顶点来完成。实际上，如果两个顶点彼此非常接近，则物镜将变得非常难以制造。在保持良好的可制造性的同时，阻碍水平通常可以被保持在光的4％以下。

图7示出了另一个实施例。在该实施例中，Schwarzschild反射物镜的几何形状不同于其他实施例中的几何形状。根据该实施例，反射物镜的几何形状对应于图6b中所示的几何形状。可以看出，在该实施例中，第一偏转器17完全位于第二反射镜M2下方，即，在第二反射镜M2和输出孔径13之间。同样，偏转器15、17不会对光产生任何进一步的阻碍，因为第一偏转器17被定位在由第二反射镜造成的阻碍锥内。阻碍锥可以由电磁物镜的光轴与从样品发出并到达第一反射镜M1的最内反射面的光射线之间的角度限定，即，该光射线为从电子束撞击在样品上的点绘制到第一反射镜M1的孔径的内径的假想线。偏转器17的位置也可以被限定为在从反射镜M1的孔径延伸至电磁线圈11的焦点的假想锥内，该焦点也是电子束撞击在样品上的点。只要偏转器17被定位在该假想锥内，偏转器就不会干扰光收集。

在所公开的实施例中，第一偏转器17被定位在轴向位于第一中心孔径和焦平面之间的体积区域内，并且位于由第一中心孔径在电磁物镜的焦平面和电磁物镜的光轴之间的交点处所包络的立体角内。电磁物镜的光轴可以与反射物镜的光轴基本重合。因此，光轴可以是电磁物镜的旋转轴心。应注意的是，立体角不限于锥形状。

图8的流程图总结了根据一个示例的操作扫描电子显微镜的方法，其中一些或所有提及的步骤可以同时发生或以任何其他期望的顺序发生。在步骤31中，电子发射器1或探针生成脉冲电子束9。在步骤32中，电子发射器产生的电子束通过位于电子束的轨迹中的准直透镜5'转换成准直的、聚焦的或发散的电子束。在步骤33中，电磁物镜5在电磁物镜5的输出孔径13处生成磁场，用于将电子束聚焦到样品7。在步骤34中，偏转器15、17偏离电子束9，从而使其能够在样品7上执行扫描。在步骤35中，沿电子束9轴向安装并在电磁物镜5内的反射物镜收集来自样品7的光。从样品收集的光被重定向到第三反射镜M3，第三反射镜M3进一步将光重定向到真空外壳10之外。在步骤36中，收集的光穿过单色器，以在空间上将光分离成其波长成分。在步骤37中，检测所选择的波长的光强度。

返回图4，由反射镜M3反射的光被透镜22聚焦到成像单色器43上。在该示例中，提供了两个成像器，CCD摄像机45和检测器46，例如，InGaAs或PMT检测器。如果反射镜24是半反射镜，则两个成像器可以被同时操作。相反，反射镜24可以是翻转镜，以使得一次启用一个成像器。通过这种布置，检测器46可用于检测特定波长的光强度，而CCD摄像机可用于同时检测多个波长的光强度。

为了生成样品的光图像，可以操作光源26以生成光束，该光束被翻转镜27反射到透镜22上，然后经由反射镜M2和M1将光束反射到朝向样品的反射镜M3，其中，反射光将通过反向路径进入CCD摄像机。在该操作模式中，包括三个反射镜M1、M2和M3的反射镜布置用于将光从光源26引导至样品7并且收集从样品7反射的光并将其引导至CCD检测器45。

在图4的实施例中，提供了电子检测器19，以能够检测从样品发射的二次电子，或由样品反射的背向散射电子。该探测器的信号可用于生成扫描电子显微镜(SEM)图像。而且，在图4的实施例中，样品架47是低温台的形式，其将样品保持在低温，从而避免嘈杂的光发射。

本文公开的实施例包括一种电磁透镜，其包括：壳体，壳体在其顶面有入口孔径且在其底部有出口孔径；径向定位在壳体内的电磁线圈；位于壳体内的光收集光学元件；以及位于壳体内的电子束偏转器；其中，光收集光学元件包括具有第一轴向孔径的凹镜；以及具有第二轴向孔径的凸镜；并且电子束偏转器包括至少部分定位在第一轴向孔内的第一组偏转器和定位在第一组偏转器下方的第二组偏转器。

公开的实施例提供了一种产生电子束图像、光束图像、阴极射线发光(CL)图像和CL光谱图像的电子显微镜，包括：真空外壳；位于真空外壳内顶部位置的电子源；电磁物镜，位于真空外壳内的底部位置，电磁物镜包括壳体，壳体其顶部表面有入口孔径且在其底部有出口孔径；径向定位在壳体内的电磁线圈；光物镜，位于壳体内并且包括具有第一轴向孔径的凹镜和具有第二轴向孔径的凸镜；电子束偏转器，位于壳体内并且包括第一组偏转器和第二组偏转器，第一组偏转器和第二组偏转器协作以使得电子束在样本上扫描；偏转镜，其接收由光物镜收集的光并将光偏转至真空外壳的外部；光源，其生成朝向偏转镜的光束；电子传感器，其定位成检测从样品发射的电子；成像传感器；成像单色器，其将光物镜收集的光分成不同的波长；控制器，其接收来自电子传感器的输出信号并由此生成电子图像，接收来自成像传感器的输出信号并由此生成光图像，接收来自成像单色器的输出信号并由此产生阴极射线发光(CL)图像和CL光谱图像。

所公开的实施例提供了一种扫描电子显微镜，包括：电子发射器，用于提供电子束(9)；电磁物镜(5)，其被设置成生成磁场，用于将电子束聚焦到电磁物镜(5)的焦平面，该焦平面与电磁物镜的光轴基本垂直；第一电子束偏离装置(17)，其用于偏离电子束(9)以使得电子束(9)在样品(7)上扫描；以及在电磁物镜(5)内围绕电子束(9)的路径设置的反射物镜，其用于收集来自样品(7)的光或用于将光聚焦到样品(7)，反射物镜包括在距电磁物镜(5)的输出孔径(13)第一距离内的第一反射镜(M1)，以及在距输出孔径(13)的第二距离内的第二反射镜(M2)，第一距离大于第二距离，第一反射镜(M1)和第二反射镜(M2)分别具有第一中心孔径和第二中心孔径，以使电子束(9)能够穿过第一和第二反射镜(M1，M2)，其中，第一电子偏转装置(17)被定位在轴向位于第一中心孔径和焦平面之间的体积区域内，并且位于电磁物镜的焦平面和电磁物镜(5)的光轴之间的交点到第一中心孔径所包络的立体角内。第一电子偏离装置(17)可以从第二中心孔径径向向内定位，并且第一电子偏转装置(17)可以与第二中心孔径同轴定位。第一电子偏转装置(17)可以被轴向定位在第二反射镜(M2)和电磁物镜(5)的输出孔径(13)之间。

显微镜还可以包括用于偏离电子束(9)的第二电子束偏离装置(15)，第二电子束偏离装置轴向位于第一电子束偏离装置(17)和电子发射器之间。

电磁物镜(5)可以具有垂直于磁场的光轴，其中，第一电子束偏离装置(17)和第二电子束偏离装置(15)被设置成扫描电子束，以使得电子束(9)穿过在由电磁物镜(5)生成的电磁场内的光轴。

电磁物镜(5)可具有第一主平面和第二主平面，第一主平面和第二主平面之一被设置成聚焦电子束(9)，其中，第一电子束偏离装置(17)和第二电子束偏离装置(15)被设置成扫描电子束，使得电子束(9)在被设置成偏转电子束(9)的主平面处穿过光轴。第二电子束偏离装置(15)可以与第一中心孔径同轴并径向向内定位。

反射物镜可以是消球差的并且可以是Schwarzschild或Head反射物镜。此外，电磁物镜(5)和反射物镜可以具有相同的焦平面。

反射物镜的数值孔径NA由NA＝n×sin(α)限定，其中，α是可以进入或离开第一反射镜(M1)的光锥的最大半角，n是反射物镜位于其中的介质的折射率，可以为至少0.35或至少0.7。

第二中心孔径的最大径向尺寸可以在2.5mm和12mm之间。

由反射物镜的焦点和第二反射镜的最大外部尺寸(M2)限定的立体角的半角(“β”)可以至多为20度。

显微镜还可包括电子束整形装置，其用于在到达电磁物镜(5)之前对来自电子发射器的电子束(9)进行整形。

由反射物镜的焦点和第二反射镜的最大外部尺寸(M2)限定的立体角可以比由反射物镜的焦点和第一反射镜(M1)的最大外部尺寸限定的立体角小至少0.3球面度(sr)。

此外，提供了一种操作扫描电子显微镜的方法，包括：给电子发射器通电从而生成电子束(9)；给电磁物镜(5)通电，从而生成磁场，用于将电子束聚焦到电磁物镜(5)的焦平面，该焦平面与电磁物镜的光轴基本垂直；给第一电子束偏离装置(17)通电，从而偏离电子束(9)，以便使电子束(9)在样品(7)上扫描；并且，在电磁物镜(5)内围绕电子束(9)的路径设置反射物镜，以收集来自样品(7)的光，反射物镜包括在距电磁物镜(5)的输出孔径(13)第一距离内的第一反射镜(M1)和在距输出孔径(13)第二距离内的第二反射镜(M2)，第一距离大于第二距离，第一反射镜(M1)和第二反射镜(M2)分别具有第一中心孔径和第二中心孔径，用于使电子束(9)能够穿过第一和第二反射镜(M1、M2)，其中，第一电子偏离装置(17)被定位在轴向位于第一中心孔径和焦平面之间的体积区域内，并且位于由电磁物镜的焦平面和电磁物镜(5)的光轴的交点到第一中心孔径所包络的立体角内。

虽然已经在附图和前述说明中详细说明和描述了本发明，但是这样的图示和说明被认为是说明性的或示例性的、而非限制性的，本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实施要求保护的发明时，基于对附图、公开内容和所附权利要求的研究，可以理解并实现其他实施例和变型。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中陈述不同特征的事实并不表示不能有利地使用这些特征的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制本发明的范围。

Claims (22)

1.一种电磁物镜，包括：

壳体，在其顶部表面有入口孔径，在其底部有出口孔径；

径向定位在壳体内的电磁线圈；

光收集光学元件，其定位在壳体内并且包括具有第一轴向孔径的凹镜和具有第二轴向孔径的凸镜；

电子束偏转器，其定位在壳体内并且包括第一组偏转器和定位在第一组偏转器下方的第二组偏转器，其中，第二组偏转器定位在由假想锥限定的区域内，假想锥从第一轴向孔径延伸至电磁线圈的焦点。

2.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，第二组偏转器至少部分地定位在第二轴向孔径内。

3.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，第二组偏转器定位在凸镜下方。

4.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，第二组偏转器定位在凸镜的阻碍锥内。

5.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，第一组偏转器至少部分地定位在第一轴向孔径内。

6.如权利要求5所述的电磁物镜，其中，第二组偏转器至少部分地定位在第二轴向孔径内。

7.如权利要求5所述的电磁物镜，其中，第二组偏转器定位在凸镜下方。

8.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，第一组偏转器和第二组偏转器中的每一个包括四极或八极中的一个。

9.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，光收集光学元件包括Schwarzschild反射物镜。

10.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，光收集光学元件包括消球差的且无限远校正的反射物镜。

11.如权利要求1所述的电磁物镜，还包括定位在电磁物镜内的消像散器。

12.如权利要求1所述的电磁物镜，还包括将凸镜机械地附接到凹镜的连接器。

13.如权利要求1所述的电磁物镜，其中，由光收集光学元件的焦点和凸镜的外径限定的立体角比由光收集光学元件的焦点和凹镜的外径限定的立体角小至少0.3球面度。

14.一种扫描电子显微镜，包括：

样品架；

电子柱，其定位成将电子束引导到定位在样品架上的样品上；以及

光成像器，其定位成接收来自电子柱的光束；

其中，电子柱包括：

真空外壳；

电子源；

定位在真空外壳内的电磁物镜，电磁物镜包括壳体，所述壳体在其顶部表面有入口孔径且在其底部有出口孔径；

径向定位在壳体内的电磁线圈；

光物镜，其定位在壳体内并且包括具有第一轴向孔径的凹镜和具有第二轴向孔径的凸镜；

电子束偏转器，其定位在壳体内并且包括第一组偏转器和定位在第一组偏转器下方的第二组偏转器，其中，第二组偏转器定位在第一轴向孔径下方，并且第一组偏转器定位在第二组偏转器上方。

15.如权利要求14所述的扫描电子显微镜，其中，光成像器包括定位在真空外壳的外部的成像单色器和定位成接收来自成像单色器的光的光传感器。

16.如权利要求15所述的扫描电子显微镜，其中，样品架包括低温台。

17.如权利要求16所述的扫描电子显微镜，其中，电子源包括脉冲电子源。

18.如权利要求14所述的扫描电子显微镜，其中，第一组偏转器至少部分地定位在第一轴向孔径内。

19.如权利要求18所述的扫描电子显微镜，其中，第二组偏转器至少部分地定位在第二轴向孔径内。

20.如权利要求14所述的扫描电子显微镜，其中，第二组偏转器定位在由从第一孔径延伸至电磁线圈的焦点的假想锥限定的区域内。

21.如权利要求14所述的扫描电子显微镜，还包括将凸镜机械地附接到凹镜的连接器。

22.如权利要求14所述的电磁物镜，其中，由光收集光学元件的焦点和凸镜的外径限定的立体角比由光收集光学元件的焦点和凹镜的外径限定的立体角小至少0.3球面度。

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