CN217306438U

CN217306438U - 电极偏转同轴电子探测装置及扫描电子显微镜

Info

Publication number: CN217306438U
Application number: CN202220947254.4U
Authority: CN
Inventors: 李晓昂
Original assignee: Huiran Technology Co ltd
Current assignee: Huiran Technology Co ltd
Priority date: 2022-04-22
Filing date: 2022-04-22
Publication date: 2022-08-26
Anticipated expiration: 2032-04-22

Abstract

本实用新型公开了一种电极偏转同轴电子探测装置和扫描电子显微镜，该探测装置包括：探测器组，所述探测器组包括同心设置的呈环状的外层探测器和内层探测器；偏转电极组，所述偏转电极组包括同心设置的呈环状的外层电极板和内层电极板，所述偏转电极组位于所述探测器组的下方，所述外层电极板位于所述外层探测器的外侧，所述内层电极板位于所述内层探测器的内侧。本实用新型能够将耦合在一起的二次电子和背散射电子剥离开来，从而获得相对独立的形貌和成分信息，减少了二者之间的相互干扰。

Description

电极偏转同轴电子探测装置及扫描电子显微镜

技术领域

本实用新型涉及扫描电子显微镜技术领域，特别是涉及一种电极偏转同轴电子探测装置及具有该电极偏转同轴电子探测装置的扫描电子显微镜。

背景技术

扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，缩写为SEM)，简称扫描电镜，是利用聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的一种常用的显微分析仪器。

电子探测器是扫描电子显微镜中用于探测物理信号中的二次电子和背散射电子等信号电子的探测器，其中同轴探测器设置在样品台的正上方，位于镜筒内或镜筒外，用于探测向镜筒方向同角度反射的二次电子和背散射电子。目前的同轴探测器多为探测二次电子和背散射电子的混合信号，形貌与成分信息混合，无法剥离。

实用新型内容

本实用新型的目的至少在于提供一种通过电极偏转对二次电子和背散射电子进行剥离，分别进行探测的同轴电子探测装置及具有该同轴电子探测装置的扫描电子显微镜。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

根据本实用新型的第一方面，提供一种电极偏转同轴电子探测装置，包括：探测器组，所述探测器组包括同心设置的呈环状的外层探测器和内层探测器；偏转电极组，所述偏转电极组包括同心设置的呈环状的外层电极板和内层电极板，所述偏转电极组位于所述探测器组的下方，所述外层电极板位于所述外层探测器的外侧，所述内层电极板位于所述内层探测器的内侧。

可选地，所述外层探测器和所述内层探测器的探测面位于同一平面。

可选地，所述外层探测器与所述外层电极板的径向间距为2-4mm，所述内层探测器与所述内层电极板的径向间距为2-4mm。

可选地，所述外层电极板和所述内层电极板的径向间距为8-12mm。

可选地，所述电极板的轴向长度为小于或等于5mm。

根据本实用新型的第二方面，提供一种扫描电子显微镜，包括镜筒、样品室和前述任一的电极偏转同轴电子探测装置，所述电极偏转同轴电子探测装置环绕所述镜筒的中心轴线安装在所述样品室内。

本实用新型能够将耦合在一起的二次电子和背散射电子剥离开来，从而获得相对独立的形貌和成分信息，减少了二者之间的相互干扰。

根据下文结合附图对本实用新型的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是本实用新型实施例中电极偏转同轴电子探测装置的立体结构示意图；

图2是图1所示电极偏转同轴电子探测装置的仰视结构示意图；

图3是本实用新型实施例中电极偏转同轴电子探测装置在样品室内的安装位置示意图；

图4是本实用新型实施例中电极偏转同轴电子探测装置的工作原理示意图。

附图标记：

1-镜筒，2-样品室，3-样品，4-探测器组，41-外层探测器，42-内层探测器，5-偏转电极组，51-外层电极板，52-内层电极板，6-入射电子束，7-背散射电子，8-二次电子

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

扫描电子显微镜主要包括以下几个组成部分：

电子光学系统，该系统包括电子枪和透镜系统。电子枪的作用是产生电子照明源。透镜系统的作用是，(1)把虚光源的尺寸从几十微米缩小到5nm(或更小)，并且从几十微米到几个纳米间连续可变，(2)控制电子束的开角，可以在10^-2～10^-3rad范围内可变，(3)所形成的聚焦电子束可以在样品的表面上作光栅状扫描，且扫描角度范围可变，为了获得上述扫描电子束，透镜系统通常包括电磁透镜、扫描线圈和光阑，电磁透镜用于电子束的聚焦，扫描线圈的作用是使电子束偏转，并在样品表面做有规则的扫动，光阑的作用包括过滤电子束中的远轴电子，以及调节图像景深。

机械系统，该系统包括支撑部分和样品室。样品室中有样品台，四壁一般备有数个窗口，除安装电子探测器外，还能同时安装其它探测器和谱仪。

真空系统，真空系统在电子光学仪器中十分重要，这是因为电子束只能在真空下产生和操纵。常用的高真空系统有干泵系统、涡轮分子泵系统和离子泵系统三种。

信号的收集、处理和显示系统，扫描电子显微镜电子枪发射出的电子束经过聚焦后会聚成点光源，点光源在加速电压下形成高能电子束，高能电子束经由电磁透镜被聚焦成直径微小的光点,在透过最后一级带有扫描线圈的电磁透镜后,电子束以光栅状扫描的方式逐点轰击到样品表面,同时激发出不同深度的物理信号。物理信号会被不同信号探测器接收,通过放大器同步传送到电脑显示屏,形成实时成像记录。样品在入射电子束的作用下会产生各种物理信号，有俄歇电子(Au E)、二次电子(SE)、背散射电子(BSE)、X射线(特征X射线、连续X射线)、阴极荧光(CL)、吸收电子(AE)和透射电子，不同的物理信号要用不同类型的探测系统。大致可以分为三大类，即电子探测器、阴极荧光探测器和X射线探测器。

电子光学系统一般位于样品室上方的镜筒内，信号探测器通常位于样品室或镜筒内，电子枪、透镜系统及信号探测器等与外部电源连接，真空系统为镜筒和样品室提供真空环境。

为了将同轴探测器探测的二次电子和背散射电子两种信号电子分离开来，进而获得相对独立的形貌和成分信息，本实用新型提供了一种电极偏转同轴电子探测装置，利用由两个同心电极板组成的偏转电极组，将同一方向不同速度出射的信号电子偏转不同的角度，使得不同速度出射的信号电子分离开来，并被探测器组中的两个同心探测器分别探测到。具体来说，背散射电子的能量接近入射电子的能量，而二次电子的能量远小于背散射电子的能量，因此二次电子的速度远小于背散射电子的速度。相同方向下，速度慢的二次电子在电极作用下偏转角度大，被外层探测器探测到，速度快的背散射电子在电极作用下偏转角度小，被内层探测器探测到。

如图1-2所示，本实用新型一个实施例中提供的电极偏转同轴电子探测装置包括探测器组4和偏转电极组5。探测器组4包括同心设置的呈环状的外层探测器41和内层探测器42，分别用于探测二次电子和背散射电子。偏转电极组5包括同心设置的呈环状的外层电极板51和内层电极板52，偏转电极组5位于探测器组4的下方，外层电极板51位于外层探测器41的外侧，内层电极板52位于内层探测器42的内侧，在使用时分别加正电和负电，从而使二次电子和背散射电子产生向外层偏转的趋势。

本实用新型提供的电极偏转同轴电子探测装置在应用于扫描电子显微镜时，将其环绕镜筒1的中心轴线安装，各部分可如图3所示，分别固定于样品室2的与之相邻的内壁上。优选探测器组4中的外层探测器41和内层探测器42的探测面位于同一平面。为兼顾有效工作范围及防止发生打火现象，可将外层探测器41与外层电极板51的径向间距设置为2-4mm，将内层探测器42与内层电极板52的径向间距设置为2-4mm。

如图4所示，在工作时，入射电子束6打在样品3的表面，形成二次电子8和背散射电子7，同一角度出射的二次电子8和背散射电子7到达偏转电极组5的下方。由于外层电极板51加正电，内层电极板52加负电，信号电子在电极板之间受到指向外层电极板51的电场力。由于背散射电子7的能量远大于二次电子8的能量，因而背散射电子7的速度远大于二次电子8的速度，背散射电子7将快速通过偏转电极组5，受电场力影响时间短，偏转角度小，打到内层探测器42上，二次电子8相对缓慢地通过偏转电极组5，受电场力影响时间长，偏转角度大，打到外层探测器上。

本实用新型提供的电极偏转同轴电子探测装置各部分的尺寸规格可通过理论计算确定其适宜范围，下面进行示例性说明：

信号电子的速度：

其中m为电子质量，E为电子能量，对于二次电子(SE),E_SE约为1～50eV，对于背散射电子(BSE)，E_BSE约为1keV～30keV。

信号电子运动到电极板之间，在垂直方向匀速运动，在水平方向，因受到方向为从内层电极板指向外层电极板的电场力，信号电子加速运动。所以：

垂直方向位移公式：L＝t·v·sinθ(2)

水平方向位移公式：

其中t为信号电子通过电极板的时间，θ为从样品出射的信号电子与水平面夹角,且为锐角，U为电极板之间所加电压，d为电极板之间的距离，e为电子电荷量。

由公式(2)可计算出t，将公式(2)和(1)带入公式(3)，将公式(3)转换为：

二次电子和背散射电子在偏转电极组作用下的水平位移差为：

其中D_SE是二次电子的水平方向位移，D_BSE是背散射电子的水平方向位移。

外层探测器内圆和内层探测器外圆之间的距离约等于最高能二次电子和最低能背散射电子在电极板作用下的水平位移差，即公式(5)中，E_SE取50eV，E_BSE取1keV时，ΔD为外层探测器内圆和内层探测器外圆之间的适宜距离。

外层探测器接收二次电子，其水平宽度以大于不同能量二次电子的水平位移差为宜，不同能量二次电子的水平位移差为：

其中E_SE1＝1eV,E_SE2＝50eV。

内层探测器接收背散射电子，其水平宽度以大于不同能量背散射电子的水平位移差为宜。不同能量背散射电子的水平位移差为：

其中E_BSE1＝1keV,E_BSE2＝30keV。

一般说来，为获得较好的分离探测效果：外层探测器和内层探测器的水平宽度分布以大于ΔD_SE和ΔD_BSE为宜；外层探测器内圆和内层探测器外圆之间的距离约为当E_SE取50eV，E_BSE取1keV时的ΔD；电极板之间的距离d，电压U和电极板轴向长度L(即信号电子在电极板之间的垂直方向位移)如公式(4)～(7)所示，受探测器宽度和距离的限制，为使更多信号电子被接收到，即θ的最大值尽量大，但又要保证分辨率，d一般可取8～12mm，L一般不超过5mm。

由上可知，本实用新型提供的电极偏转同轴电子探测装置能够将耦合在一起的二次电子和背散射电子剥离开来，从而获得相对独立的形貌和成分信息，减少了二者之间的相互干扰。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种电极偏转同轴电子探测装置，其特征在于，包括：

探测器组，所述探测器组包括同心设置的呈环状的外层探测器和内层探测器；

偏转电极组，所述偏转电极组包括同心设置的呈环状的外层电极板和内层电极板，所述偏转电极组位于所述探测器组的下方，所述外层电极板位于所述外层探测器的外侧，所述内层电极板位于所述内层探测器的内侧。

2.根据权利要求1所述的电极偏转同轴电子探测装置，其特征在于，所述外层探测器和所述内层探测器的探测面位于同一平面。

3.根据权利要求1所述的电极偏转同轴电子探测装置，其特征在于，所述外层探测器与所述外层电极板的径向间距为2-4mm，所述内层探测器与所述内层电极板的径向间距为2-4mm。

4.根据权利要求1所述的电极偏转同轴电子探测装置，其特征在于，所述外层电极板和所述内层电极板的径向间距为8-12mm。

5.根据权利要求1所述的电极偏转同轴电子探测装置，其特征在于，所述电极板的轴向长度为小于或等于5mm。

6.一种扫描电子显微镜，包括镜筒和样品室，其特征在于，包括根据权利要求1-5任一所述的电极偏转同轴电子探测装置，所述电极偏转同轴电子探测装置环绕所述镜筒的中心轴线安装在所述样品室内。