CN116798841A - 一种束张角可调的扫描电子束成像系统及电子束控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种束张角可调的扫描电子束成像系统及电子束控制方法，属于扫描电子束成像技术领域。所述系统通过合理设置多级透镜与可移动孔径光阑的位置，一方面实现电子束束流调节以及束张角高度优化控制，使得高斯像，球差，色差，衍射等像差得到优化，从而得到电子束成像系统的最佳分辨率；另一方面各级透镜以及可移动孔径光阑结构和功能相对独立，工程易实现。本申请提供的扫描电子束成像系统，能够在保证低能扫描电子束高分辨成像的同时能够满足高能电子束不受浸没式复合物镜工作距离限制，实现最优高分辨成像；而且既可以针对磁性样品进行扫描成像，又可以对非磁性样品进行扫描成像。

Description

一种束张角可调的扫描电子束成像系统及电子束控制方法
技术领域
本发明涉及一种束张角可调的扫描电子束成像系统及电子束控制方法，属于扫描电子束成像技术领域。
背景技术
扫描电子束成像设备是一种常用的显微分析设备，常用于表征尺度在微米级或纳米级样品的微观特征。通常电子束通过电子束成像设备的各级透镜将电子束汇聚成一个直径微小的高能电子束，入射高能电子束与样品相互作用产生背散射电子、二次电子等以反应样品的成分及形貌信息。再使用不同探测器对样品的成分及形貌信息进行表征。因其具有分辨率高、放大倍数可调范围广等优点被广泛应用。在观察半导体、无机非金属材料等领域的导电性不良的样品时，需要电子束具有低着陆能量，因为导电性不良的样品表面会产生电荷积累，样品表面累积电荷所产生的静电场会干扰入射电子和二次电子的发射，导致成像不清晰，影响检测结果的准确性；而在观察金属等导电性良好的样品时，需要电子束具有较高着陆能量以满足更高分辨率需求。
在一些相关技术中，电子束成像系统仅由两级透镜组成，第一级透镜为电透镜，第二级透镜为物镜；固定孔径光阑放置于第一级透镜靠近电子束入射一侧。电子束由电子源及加速电极引出后，电子束进入第一级电透镜进行预聚焦，随即进入第二级透镜对电子束进行聚焦、成像。上述电子束成像系统存在的问题是，经由第一级透镜对电子束进行预聚焦后，其后续无法再对电子束束流大小进行调节；且第一级透镜与透镜内放置的固定光阑距离很近，导致第一级透镜对电子束束张角的调节范围较小；经第一级透镜预聚焦的电子束将以固定的孔径角以及固定的束流大小经过第二级的物镜后聚焦、成像。根据下述电子光学分辨率限度公式：
其中，M是电子光学系统电子源到像平面的最终放大倍数，S0为电子源大小；Cs为球差系数，Cc为色差系数，λ为电子束波长，E为电子束能量，ΔE为电子束能散，α为电子束像方束张角。根据上述公式可知电子束张角会影响电子光学分辨率限度，也即上述电子束成像系统存在的问题将导致最终成像分辨率无法达到最优。
另外一种相关技术，采用在传统复合物镜的基础上，在样品和磁透镜间引入附加电极，在附加电极上进行电压可变控制，从而实现对样品表面的电场进行控制，此技术路线主要应用于低能电子束成像领域，这种复合透镜的设计，可以实现极低的球差系数及色差系数。当电子束能量提高时，如果依旧采用具有超短工作距离浸没式复合物镜，由于磁透镜的线圈激励发热问题和磁透镜极靴的磁饱和问题，使得磁透镜无法支持足够大的激励电流来实现高分辨成像，这时一般采用增加样品台和物镜的工作距离来实现对电子束的聚焦，同时为了工程实现方便，样品台和磁透镜极靴会保持在同电位，比如地电位，但是增加样品到物镜的工作距离会使得球差系数、色差系数增大，根据上述分辨率限度公式可知，会导致成像分辨率相应降低。
发明内容
为了解决目前存在的问题，本发明提供了一种束张角可调的扫描电子束成像系统及电子束控制方法。
一种束张角可调的扫描电子束成像系统，所述系统包括：电子源及电场加速结构、三级透镜、可移动孔径光阑、探测器、电子束扫描控制装置和样品台；其中，三级透镜中，第一级透镜用于对所述电子束束流大小进行调节及预聚焦，第二级透镜用于对加速电子束进行汇聚，第三级透镜用于将入射电子束聚焦于样品表面，所述可移动孔径光阑设置于所述第一级透镜与所述第二级透镜之间，与所述第一极透镜配合对所述电子束束流进行大小调节并遮蔽杂散电子，所述多级透镜包括三级及以上透镜。
可选的，所述系统还包括：消像散器和电子束偏转装置；所述消像散器用于对电子束产生的像差进行校正，同时可改变电子束的运动方向；所述电子束偏转装置与电子束轴平行，用于改变加速电子束运动方向；消像散器和电子束偏转装置共同作用于电子束可以实现电子束的平移，使电子束通过后续第三级透镜的中心轴，实现电子束和透镜的合轴。
可选的，所述电子束扫描控制装置为扫描静电电极或磁线圈，设置于所述第三级磁透镜内壁与电子束光轴之间，通过扫描静电电极或磁线圈驱动电子束，使电子束在样品表面进行光栅状扫描。
可选的，所述样品台用于承载提供成像目标的样品并提供X、Y、Z方向定位功能，所述样品包括磁性样品和非磁性样品；所述电子源产生的电子束经电场加速结构进行加速后依次通过所述三级透镜后到达并聚焦于样品表面，轰击样品表面以产生电子信号；所述探测器设置于第二级透镜下方以及第三级透镜上方，用于采集电子束轰击样品表面所激发的电子信号；所述电子信号包括二次电子和背散射电子。
可选的，所述系统还包括二次电子分离器，用于提高探测器对信号电子的收集能力；所述二次电子分离器设置于探测器和第三级透镜之间。
可选的，所述可移动孔径光阑包括不同尺寸孔径的光阑，通过选择不同尺寸孔径，对通过光阑的电子束束流大小进行调节。
可选的，所述第一级透镜和第二级透镜为磁透镜或静电透镜，所述第三级透镜为电磁复合透镜，所述电磁复合透镜的开口为极靴；当极靴朝向样品时，仅用于检测非磁性样品；当极靴朝向电子束光轴时，用于检测磁性样品或者非磁性样品。
可选的，所述消像散器为八极结构的静电电极，或八极结构的磁极外加所需的不同方向的四极场。
可选的，所述探测器为半导体探测器，闪烁体与光电倍增管型探测器或者雪崩式探测器。
本申请还提供一种束张角可调的电子束控制方法，所述方法基于上述系统实现，包括：
利用电子源产生电子束，利用电场加速结构对所述电子束进行加速；
加速后的电子束透过第一级透镜实现电子束束流大小调节及预聚焦，并通过调节可移动孔径光阑的尺寸进一步对电子束束流大小调节至合适尺寸，同时遮蔽杂散电子；
利用消像散器对电子束的像散进行校正，同时可改变电子束的运动方向；电子束偏转装置与电子束轴平行，用于改变加速电子束运动方向；消像散器和电子束偏转装置共同作用可以对电子束进行平移，施加所匹配的偏转电场后以使电子束通过第三级透镜的中心轴，实现电子束和透镜的合轴；
利用第二级透镜对电子束进行汇聚；
利用第三级透镜对经第二级透镜汇聚的电子束进行聚焦，使其轰击样品表面激发的电子信号；轰击过程中利用电子束扫描控制装置控制电子束在样品表面进行光栅状扫描；
利用探测器接收电子束轰击样品表面激发的电子信号；
将探测器接收到的电子信号进行处理、放大从而得到样品微区高分辨成像。
本发明有益效果是：
通过合理设置多级透镜与可移动孔径光阑的位置，一方面实现电子束束流调节以及束张角高度优化控制，使得高斯像，球差，色差，衍射等像差得到优化，从而得到电子束成像系统的最佳分辨率；另一方面各级透镜以及可移动孔径光阑结构和功能相对独立，工程易实现。本申请提供的扫描电子束成像系统，能够在保证低能扫描电子束高分辨成像的同时能够满足高能电子束不受浸没式复合物镜工作距离限制，实现最优高分辨成像；而且根据物镜极靴不同开口方向的设计，既可以针对磁性样品进行扫描成像，又可以对非磁性样品进行扫描成像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种电子束成像系统的一种实施方式结构示意图。
图2为本发明提供的一种电子束成像系统的另一种实施方式结构示意图。
图3为其它相关技术类似的电子束成像结构示意图。
图4为本发明提供的一种电子束成像系统的另外一种实施方式结构示意图。
图5为本发明提供的一种束张角可调的电子束控制方法的实施流程图。
图中：1、电子源；2、电子束加速结构；3、第一级透镜；4、消像散器；5、偏转电极或磁极；6、可移动孔径光阑；7、第二级透镜；8、二次电子及背散射电子探测器；9、第三级透镜；10、扫描静电电极或磁线圈；11、二次电子分离器；12、样品台；13、电子束。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供一种束张角可调的扫描电子束成像系统，用于对磁性样品和非磁性样品进行高分辨率扫描成像，包括：电子源及电场加速结构、多级透镜、可移动孔径光阑、消像散器和电子束偏转装置、探测器、电子束扫描控制装置和样品台。
其中，所述多级透镜包括三级及以上透镜，以三级透镜为例，三级透镜中，第一级透镜用于对所述电子束束流大小进行调节及预聚焦，第二级透镜用于对加速电子束进行汇聚，第三级透镜用于将入射电子束聚焦于样品表面，可移动孔径光阑设置于第一级透镜与第二级透镜之间，与第一极透镜配合对电子束束流进行大小调节并遮蔽杂散电子。消像散器用于对电子束产生的像差进行校正，同时可改变电子束的运动方向或对电子束进行平移，使电子束通过后续第三级透镜的中心轴，实现电子束和透镜的合轴；所述电子束偏转装置与电子束轴平行，用于改变加速电子束运动方向。
实施例二：
本实施例提供一种束张角可调的扫描电子束成像系统，包括：电子源及电场加速结构、多级透镜、可移动孔径光阑、消像散器和电子束偏转装置、探测器、电子束扫描控制装置和样品台。
本实施例中，电子束偏转装置采用偏转电极，电子束扫描控制装置采用扫描静电电极或磁线圈实现；所述多级透镜包括三级及以上透镜，以三级透镜为例，具体介绍如下：
参见图1，该束张角可调的扫描电子束成像系统包括：电子源1，电子束加速结构2，第一级透镜3，消像散器4，偏转电极5，可移动孔径光阑6，第二级透镜7，探测器8，第三级透镜9，扫描静电电极或磁线圈10，样品台12。
电子源1用于在加热到一定温度和外加一定的电场场强后产生电子束13，经加速结构2对所述电子束13进行加速，进而依次经过三级透镜后将扫描电子束聚焦于样品上。其中，第一级透镜3，可选用磁透镜或静电透镜，用于对电子束进行预聚焦；可移动孔径光阑6，通过选择不同尺寸孔径可对电子束束流大小进一步调节。第一级透镜3与可移动孔径光阑6对电子束整体作用，由此可以使电子束流大小在应用需要的范围内实现全范围可连续调节。应用需要的范围可根据实际待测样品成像分辨率、衬度以及分析方式(包括样品表面形貌分析或者元素成分分析)确定。
消像散器4，用于对电子束的像散进行校正，使最终由第三级透镜9聚焦于样品表面的电子束具有理想的束斑大小。同时消像散器4和偏转电极5单独或共同作用，用于改变电子束的运动方向或对电子束进行平移，施加所匹配的偏转电场后，使电子束通过后续透镜9的中心轴，实现电子束和透镜的合轴。
第二级透镜7，可选用磁透镜或静电透镜，如果选电流线圈激励的磁透镜，内部由导线绕制成激励线圈，外部由磁性材料制成壳体包裹。磁透镜的开口处即为磁透镜的极靴，朝向电子束光轴方向，对电子束13进行汇聚。以上所述第一级透镜3以及第二级透镜7作用于电子束13可以全过程不形成交叉斑；而当电子束形成交叉斑时，交叉斑处的电子密度极大，电子之间的距离很小，由于较大的库仑力会导致电子束的聚焦束斑扩大，从而影响电子束成像系统的分辨率。
第三级透镜9为物镜，第三级透镜9将入射电子束13汇聚于样品表面。对于低能入射的电子光学成像系统，物镜9可以是一个电磁复合透镜，为电流激励的浸没式磁透镜，磁透镜开口处即为磁透镜的极靴，极靴的开口方向朝向电子束光轴，也可以朝向样品，当极靴朝向样品时，仅用于检测非磁性样品；当极靴朝向电子束光轴时，用于检测磁性样品或者非磁性样品。当极靴开口朝向样品表面，样品浸没于磁场中，能够使初始电子束聚焦效果提升，从而保持较高分辨率，如图1所示；对于磁性样品，极靴开口只可朝向电子束光轴，此时样品台样品周围不具有磁场，如图2所示。也即磁性样品及非磁性样品都可以使用本申请提供的扫描电子束成像系统观测。
第二级透镜7与第三级透镜9对电子束整体作用，使穿过可移动孔径光阑6的电子束的束张角可以调整，同时电子源放大倍数也会有相应的变化，在电子束经过汇聚后不形成交叉斑的工作模式下，还可避免交叉束斑处较大的电子库伦相互作用对最终束斑的影响，从而实现最佳分辨率。
扫描静电电极或磁线圈10，位于第三级磁透镜9内壁与电子束光轴之间。本发明实施例中，此处对扫描静电电极或磁线圈数量不做限定，同等条件下，如果增加磁线圈数量，可以加快扫描速度。通过扫描静电电极或磁线圈10驱动电子束，使电子束在样品表面进行光栅状扫描；此结构为第三级透镜9的透镜前扫描偏转，这种上下位置的双扫描电子结构，其扫描角度和扫描电压或电流设计优化后，使得扫描偏转像差得到优化。
探测器装置8用于收集电子束13轰击样品表面所激发的信号，位于第二级透镜下方以及第三级透镜9上方，探测器8是带有中心通孔的探测器，中心通孔和电子光学系统合轴，利于一次电子束通过。探测器8均可以是半导体探测器，闪烁体与光电倍增管型探测器或者雪崩式探测器。
上述电子束成像系统，使电子束流大小在应用范围内连续可调且电子束束张角整体可控，根据电子光学分辨率限度公式：
可知，本申请提供的束张角可调的扫描电子束成像系统，由于电子束流大小在应用范围内连续可调且电子束束张角整体可控，因此可以使分辨率达到最优。并且该扫描电子束成像系统各级透镜的结构和功能可以相对独立，便于生产和装配。
对比本申请提供的束张角可调的扫描电子束成像系统，现有技术中移动孔径光阑6设计为固定孔径光阑与第一级透镜3对电子束束流大小进行调节时，由于光阑孔径固定，无法与第一级透镜3对束流大小进行整体可控，因此其电子束成像分辨率则达不到最优。
同样对比本申请提供的束张角可调的扫描电子束成像系统，现有技术中如果仅设置两层透镜，且其中的第二级透镜(对应本申请中的第三级透镜9)对电子束束张角作用时，电子束束张角不完全可控。在特定大小束流下，当电子束束张角无法控制到电子光学成像系统理想值时，则聚焦后的电子束束斑直径在样品面较大，电子束成像分辨率则达不到最优，如图3所示。
实施例三
本发明实施例所提供的电子束成像系统与本发明上述实施例所提供的电子束成像系统相似，不同之处在于，本发明实施例所提供的电子束成像系统第一级透镜3采用静电透镜，如图4所示(V1和V2表示施加在第一级透镜上的电压)，利用静电透镜3与可移动孔径光阑对电子束整体作用，完成对电子束13的预聚焦，使电子束在应用范围内束流大小连续可调。同时在探测器8与第三级透镜9之间引入一个二次电子分离器11，此时探测器可放置在离光轴尽可能靠近的光轴外；样品台可选择接地或者施加一个负电位V3。当样品台施加一个负电位时，利用第三级透镜9极靴作为电透镜的一个电极，此时在样品台12和第三级透镜9(第三级透镜9为磁透镜)之间形成静电透镜，抵消一部分入射电子的加速电位，使着陆于试样的入射电子束相对电位瞬间降低，实际着陆的电子束能量得到降低；例如样品台施加负电位V3为-8kv，电子束加速电压为10kv，则此时着陆样品的电子束的动能为2kev，对高能入射的电子束起到减速的作用，使高能电子束在保证高分辨率的同时发挥低加速电压成像的优点；对反方向出射的电子信号起到反向加速作用，使电子加速到达探测器8；第一级透镜3采用静电透镜的优势在于，静电透镜占用电子枪镜筒空间小，采用静电透镜设计可缩短电子束到达样品表面的距离，减少电子运动过程中相互作用时间以及杂散场对电子束的影响，另外电透镜能够补偿部分磁透镜的像差。
在探测器8与透镜9之间引入的二次电子分离器11，能够产生电场和磁场，是一个正交的电极和磁极结构，为实现对反方向运动的电子信号角度方向的调整，至少是四电极结构。此二次电子分离器11对入射的一次电子运动方向没有影响，因为静电力方向与洛伦兹力方向相反，互相可抵消，F＝eE+eV×B＝0；对反方向运动的电子信号，包括二次电子和背散射电子，静电力和洛伦兹力同方向，增加了探测器对反向运动电子的双重收集能力，使得信号电子束被引导到光轴外的探测器上。
当二次电子分离器11关闭时，经过样品台负电位V3反向加速的二次电子及背散射电子被探测器8接收，当探测器8的中心孔径足够小时，极大部分的二次电子以及背散射电子被探测器8接收，只有少数电子信号穿过中心孔逃逸，导致丢失一小部分信号；当电子分离器打开时，如图4所示，在电子分离器产生的电场和磁场合适的情况下，样品台施加负电位V3，信号电子被反向加速，由于静电力与洛伦兹力同方向对信号电子作用，使信号电子的接收效率不受探测器中心孔径的影响，信号电子偏离电子束系统光轴一侧，使所有信号电子都被探测器接收，引入的电子分离器提高了探测器接收效率，使探测器上产生更高的信号增益，从而提高了电子束成像系统的成像速度。
实施例四
本发明实施例所提供一种束张角可调的电子束控制方法，基于上述实施例公开的系统实现，请参考图5，该方法包括：
利用电子源产生电子束，利用电场加速结构对所述电子束进行加速；
加速后的电子束透过第一级透镜实现电子束束流大小调节及预聚焦，并通过调节可移动孔径光阑的尺寸进一步对电子束束流大小调节至合适尺寸，同时遮蔽杂散电子；
利用消像散器对电子束的像散进行校正，同时可改变电子束的运动方向；电子束偏转装置与电子束轴平行，用于改变加速电子束运动方向；消像散器和电子束偏转装置共同作用可以对电子束进行平移，施加所匹配的偏转电场后以使电子束通过第三级透镜的中心轴，实现电子束和透镜的合轴；
利用第二级透镜对电子束进行汇聚；
利用第三级透镜对经第二级透镜汇聚的电子束进行聚焦，使其轰击样品表面激发的电子信号；轰击过程中利用电子束扫描控制装置控制电子束在样品表面进行光栅状扫描；
利用探测器接收电子束轰击样品表面激发的电子信号；
将探测器接收到的电子信号进行处理、放大从而得到样品微区高分辨成像。
需要进行说明的是，根据电子信号得到样品的高分辨率成像可利用现有技术实现，本申请未对探测方式做改进。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种束张角可调的扫描电子束成像系统，其特征在于，所述系统包括：电子源及电场加速结构、三级透镜、可移动孔径光阑、探测器、电子束扫描控制装置和样品台；其中，三级透镜中，第一级透镜用于对所述电子束束流大小进行调节及预聚焦，第二级透镜用于对加速电子束进行汇聚，第三级透镜用于将入射电子束聚焦于样品表面，所述可移动孔径光阑设置于所述第一级透镜与所述第二级透镜之间，与所述第一极透镜配合对所述电子束束流进行大小调节并遮蔽杂散电子。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：消像散器和电子束偏转装置；所述消像散器用于对电子束产生的像差进行校正，同时可改变电子束的运动方向；所述电子束偏转装置与电子束轴平行，用于改变加速电子束运动方向；消像散器和电子束偏转装置共同作用于电子束可以实现电子束的平移，使电子束通过后续第三级透镜的中心轴，实现电子束和透镜的合轴。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电子束扫描控制装置为扫描静电电极或磁线圈，设置于所述第三级磁透镜内壁与电子束光轴之间，通过扫描静电电极或磁线圈驱动电子束，使电子束在样品表面进行光栅状扫描。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述样品台用于承载提供成像目标的样品并提供X、Y、Z方向定位功能，所述样品包括磁性样品和非磁性样品；所述电子源产生的电子束经电场加速结构进行加速后依次通过所述三级透镜后到达并聚焦于样品表面，轰击样品表面以产生电子信号；所述探测器设置于第二级透镜下方以及第三级透镜上方，用于采集电子束轰击样品表面所激发的电子信号；所述电子信号包括二次电子和背散射电子。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括二次电子分离器，用于提高探测器对信号电子的收集能力；所述二次电子分离器设置于探测器和第三级透镜之间。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可移动孔径光阑包括不同尺寸孔径的光阑，通过选择不同尺寸孔径，对通过光阑的电子束束流大小进行调节。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一级透镜和第二级透镜为磁透镜或静电透镜，所述第三级透镜为电磁复合透镜，所述电磁复合透镜的开口为极靴；当极靴朝向样品时，仅用于检测非磁性样品；当极靴朝向电子束光轴时，用于检测磁性样品或者非磁性样品。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述消像散器为八极结构的静电电极，或八极结构的磁极外加所需的不同方向的四极场。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测器为半导体探测器，闪烁体与光电倍增管型探测器或者雪崩式探测器。
10.一种束张角可调的电子束控制方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-9任一所述的系统实现，包括：
利用电子源产生电子束，利用电场加速结构对所述电子束进行加速；
加速后的电子束透过第一级透镜实现电子束束流大小调节及预聚焦，并通过调节可移动孔径光阑的尺寸进一步对电子束束流大小调节至合适尺寸，同时遮蔽杂散电子；
利用消像散器对电子束的像散进行校正，同时可改变电子束的运动方向；电子束偏转装置与电子束轴平行，用于改变加速电子束运动方向；消像散器和电子束偏转装置共同作用可以对电子束进行平移，施加所匹配的偏转电场后以使电子束通过第三级透镜的中心轴，实现电子束和透镜的合轴；
利用第二级透镜对电子束进行汇聚；
利用第三级透镜对经第二级透镜汇聚的电子束进行聚焦，使其轰击样品表面激发的电子信号；轰击过程中利用电子束扫描控制装置控制电子束在样品表面进行光栅状扫描；
利用探测器接收电子束轰击样品表面激发的电子信号；
将探测器接收到的电子信号进行处理、放大从而得到样品微区高分辨成像。
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