CN219226218U - 一种复合结构的探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种复合结构的探测系统，属于电子显微镜技术领域，把EDS探测器置入物镜内部，在提高空间利用率的同时使EDS更靠近极靴头和样品表面，提高探测效率；该系统包括：电子源、电子加速电极、物镜、EDS探测器、样品、样品台和控制单元；所述电子源设于顶部正中，所述电子加速电极设于电子源下方，所述物镜设于电子加速电极下方，所述样品设于物镜下方；所述电子源产生的电子束依次经过电子加速电极和物镜后到达样品表面；所述EDS探测器以斜插方式设置在物镜内部，所述EDS探测器的探头位于物镜的探测口处；所述样品置于样品台上；所述样品台、所述EDS探测器、所述电子源和所述物镜均与所述控制单元连接。

Description

一种复合结构的探测系统

技术领域

本实用新型涉及电子显微镜技术领域，尤其涉及一种复合结构的探测系统。

背景技术

电子显微镜主要用于纳米级的样品表面形貌观测，因为扫描电镜是依靠物理信号的强度来区分组织信息的。扫描电镜不仅可以观察样品表面的组织形貌，通过使用EDS、WDS、EBSD等不同的附件设备，扫描电镜还可进一步扩展使用功能。

能谱仪(EDS，Energy Dispersive Spectrometer)是用来对材料微区成分元素种类与含量分析，配合扫描电子显微镜与透射电子显微镜的使用。目前能谱探测的实现方法较多，例如：通过旁侧式X射线探测器实现，但该X射线探测器接收的X射线信号的立体角小，收集效率低，无法获取高速度的X射线图像；虽然设置多个X射线探测器可增加探测X射线的立体角，但实现方法繁琐且占用空间。

阴极荧光系统(Cathodoluminescence，CL)通常配置在扫描电镜或透射电镜中，能够实现形貌观察、结构和成分分析同阴极荧光光谱的结合研究，实现全光谱荧光扫描成像。阴极荧光激发所用的电子束束斑非常小，能量高；相比于光致发光(Photoluminescence，PL)阴极荧光具有高空间分辨、高激发能量、宽光谱范围、大激发深度等特点，并能够实现全光谱荧光扫描成像。阴极荧光系统结合扫描电子显微镜能够在小尺度对半导体材料与器件、荧光材料(地质、考古材料)等实现形貌观察、结构和成分分析同阴极荧光光谱的结合研究，在半导体、微电子、材料、物理、地质、考古等领域得到了广泛的应用。特别在微米、纳米尺度的半导体量子点、量子线等荧光物质的发光性质及电子结构的研究领域，阴极荧光技术具有重要的应用价值。目前探测的实现方法较多，例如：平插式：优点是具有高效聚光镜和光导管，收集效率高，缺点占用空间，导致其他配件如BSE无法同时使用；斜插式：节省空间，适合于CL与SE同时采集。

综上所述，同时装配EDS、CL、电子探测器时，探测器空间位置受限，很难装配在最优位置；另外，需要采集的图像信息种类较多，连续检测大面积样品并且同步收集数据的难度大，不易高效实现。

因此，有必要研究一种新的复合结构的探测系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种复合结构的探测系统，把EDS探测器置入物镜内部，在提高空间利用率的同时，能够使EDS更靠近极靴头和样品表面，提高探测分辨率，采集到更高质量的图像数据。

本实用新型提供一种复合结构的探测系统，所述系统包括：电子源、电子加速电极、物镜、EDS探测器、样品、样品台和控制单元；

所述电子源设于顶部正中，所述电子加速电极设于所述电子源下方，所述物镜设于所述电子加速电极下方，所述样品设于所述物镜下方；所述电子源产生的电子束依次经过电子加速电极和所述物镜后到达所述样品的表面；

所述EDS探测器以斜插方式设置在所述物镜内部，所述EDS探测器的探头位于所述物镜的探测口处；

所述样品置于所述样品台上；所述样品台、所述EDS探测器、所述电子源和所述物镜均与所述控制单元连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述物镜的外环侧壁上设有过孔，所述EDS探测器的尾端位于所述过孔内，且所述EDS探测器的外周与所述过孔密封式连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述EDS探测器的尾端与伸缩结构连接，且跟随所述伸缩结构的伸缩动作斜向位移；

所述伸缩结构与所述控制单元连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述EDS探测器为设有准直器和电子捕集阱的探测器，所述准直器和所述电子捕集阱均设置在探头端，且所述准直器位于最外端；

所述EDS探测器的最前端设有能够反射电子的反射材料膜。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述物镜与所述样品上表面的距离为5mm以内。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述物镜与所述样品上表面的距离为3-4mm。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述系统还包括SE探测器，所述SE探测器设置在所述物镜内环侧壁的近上端处；

所述SE探测器与所述控制单元连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述系统还包括CL荧光探测器，所述CL荧光探测器在竖直方向上设置在所述物镜和所述样品之间；

所述CL荧光探测器与所述控制单元连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述CL荧光探测器的前端设有彩色滤光片。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述物镜包括物镜本体、物镜线圈和偏转线圈；

所述物镜线圈设置在所述物镜本体内腔的顶部；

所述偏转线圈设于所述物镜本体内环的外壁上。

采用如上复合结构的探测系统进行探测时，其步骤包括：

S1、通过控制单元控制样品台动作，将样品移动到适宜的位置；

S2、调整EDS探测器的斜插位置以及物镜的倍率；

S3、打开电子源使电子束照射到样品上表面；

S4、通过控制单元控制样品台做水平面的特定的二维运动，使电子束依序照射到样品上表面所有待分析区域；

特定的二维运动具体为：将样品上表面按等宽的方式划分成若干纵向长条形待测区域并依次进行扫描；针对单个待测区域进行扫描时采用z字型扫描方式，具体为相邻两行之间首首相连或尾尾相连；

S5、EDS探测器采集电子束轰击样品表面后产生的X射线并传输给控制单元。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S5的内容还包括：设置CL荧光探测器，采集电子束轰击样品表面后产生的荧光信号并传输给控制单元；

设置SE探测器，采集经偏转线圈的电磁作用实现旋转上升的二次电子，所述二次电子为电子束轰击样品表面后产生的电子。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中调整EDS探测器斜插位置的具体内容包括：通过控制单元控制伸缩结构实现伸缩，从而带动EDS探测器沿斜插方向移动。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本实用新型将EDS探测器装配在物镜内，这样合理利用极靴内部的空间，提高空间利用率；由于EDS探测器内置，物镜外的样品台不受限制，可以上升离物镜极靴很近；另外EDS探测器斜插在物镜内部，其靠近极靴头端可以延伸的离样品上表面很近，甚至无限接近样品表面，因此本实用新型可以提高探测效率；

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：现有技术中，由于各探测器都有各自的空间分布需求，受空间所限，同时部署多探测器是不容易实现的；而本实用新型将EDS内置在物镜中，极大节省了外部空间，使得其他探测器可以安装到最合适位置，达到最优探测效果；多种探测器同时使用、同时探测，能够同时采集到更多的图像信息，易于对样品的分析；

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本实用新型中EDS探测器斜插在物镜内部可以使探头靠近样品上表面，且CL荧光探测器可以装在最优位置，减小了两个探测器的探测距离，能够同时使用两个探测器，增大探测效率，有效的节省时间，更快的得到高质量的数据。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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它的附图。

图1是本实用新型一个实施例提供的复合结构的探测系统的整体结构示意图；

图2是本实用新型另一个实施例提供的复合结构的探测系统的整体结构示意图；

图3是传统技术的矩阵检测示意图；

图4是本实用新型一个实施例提供的串行采集检测方式示意图；

图5是传统探测方法和本实用新型一个实施例提供的探测方法在时间、速度方面的对比图。

其中，图中：

1、电子源；2、电子束；3、电子加速电极；4、物镜；5、SE探测器；6、物镜线圈；7、EDS探测器；8、CL荧光探测器；9、样品；10、偏转线圈。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种复合结构的探测系统及探测方法。该探测系统将EDS探测器内置在物镜内，增大了探测器空间位置，可以更合理的分布其它探测器，高效利用空间的同时，探测效率也增高。而且该空间结构也适用于浸没透镜与非浸没透镜。针对这个系统发明了一种相应的检测方法，可以跟系统结合，并且连续快速的扫描大尺寸样品，节省检测时间。

如图1和图2所示，本实用新型复合结构的探测系统包括电子源1、电子束2、电子加速电极3、物镜4、SE探测器5、EDS探测器7、CL荧光探测器8和设于样品台上的样品9。图1和图2的区别在于：图2中物镜内环底部具有延伸部，该延伸部为物镜极靴的延伸部分，使得图2的物镜为浸没透镜结构，图1的物镜为非浸没透镜结构。

其中，电子源1位于正上方，用于产生电子束2。电子加速电极3设于电子源1下方，用于对电子束2进行加速。物镜4设于电子加速电极3的下方，用于实现对样品观测图像的聚焦。CL荧光探测器8设于物镜4的下方、样品9的上方，用于对电子束轰击产生的荧光信号进行采集。SE探测器5设于物镜内侧的外壁处，样品9位于最底部的样品台上，电子束2以垂直方向作用于样品9的表面。

本实用新型物镜4的内腔上部设有物镜惯用的物镜线圈6。在物镜线圈6的下方设有本实用新型的EDS探测器7。物镜4外侧的外壁上设有开孔，EDS探测器7呈倾斜状态由开孔插入物镜4内部；EDS探测器7的前端(即信号采集端)正对物镜内侧底部的探测口，尾端位于物镜外部。物镜4侧壁上的开孔处设有密封圈，实现物镜侧壁与EDS探测器7之间的密封式连接。EDS探测器7的尾部可以和伸缩结构连接，通过伸缩结构的动作带动EDS探测器7实现位置的变化和调整。伸缩结构与物镜外壁固定连接，以保证伸缩结构在工作过程中的稳定。伸缩结构可以通过精度高的伺服电机来实现伸缩动作；也可以不设置伸缩结构，直接将EDS探测器7固定在物镜内进行EDS探测。物镜4外侧壁上开孔的数量可以是多个，EDS探测器7的设置数量也是多个(两个以上)，开孔和EDS探测器7一一对应。伸缩结构与控制单元连接，控制单元控制伸缩结构进行伸缩动作，从而带动EDS探测器7斜向移动，调整EDS探测器与物镜观测口的距离。控制单元还控制样品台的动作，带动其上的样品实现上升、下降以及在水平面方向的二维移动。

作为一种优选方案，物镜4距离样品上表面5mm以内。分辨距离的减小，能够极大提高分辨率。使用时，可以通过控制单元改变物镜4的工作电流，起到调节焦距的作用，并且通过调整EDS探测器7的探头与样品表面之间的距离进一步调整整体分辨率。偏转线圈14为物镜的一部分。

工作时，经加速的电子束2沿着主光轴进入到物镜4，穿过物镜4后会聚到样品9上，产生信号电子。其中使用的物镜是浸没透镜结构或非浸没透镜结构。电子束打到样品表面产生的X射线进入物镜内部被EDS探测器接收。EDS探测器前端设有电子捕集阱+准直器，准直器设置在EDS探测器的最前端，电子捕集阱临近准直器设置。电子捕集阱+准直器可以挡住电子避免其撞到EDS探测器上产生假象而影响图像质量；EDS探测器前端还设有高反射材料，高反射材料设置在准直器的外端面上，一是可以挡住电子避免其撞到EDS探测器上产生假象而影响图像质量，二是可以将撞击到表面的电子反射出去。高反射材料可以是Au、Pt、Ag、BN、钻石中的任意一种或多种，可以采用涂敷的方式设置在准直器外端面上。另外，电子进入物镜后，由于有磁场的存在，电子会拐弯，因此大部分电子并不会直接撞到EDS探测器，高反射材料的存在也能够更加保证这类电子不会撞到EDS探测器，从而进一步图像质量。

作为进一步的实施方式，电子束打到样品表面产生的CL荧光被外圈平插式或斜插式设置的CL荧光探测器接收，实现荧光探测。CL荧光探测器可以在前端加设彩色滤光片，从而采集得到彩色荧光图像。电子束打到样品表面产生二次电子，样品是0电位，物镜作为一个加速套管，那么两者会形成一个下沉电场，所以二次电子飞出来时在电场的作用下会马上被吸上去(沿垂直方向，力的方向)；之后由于物镜侧壁的偏转线圈会产生磁场，二次电子在磁场作用下绕圈继续上升后被SE探测器接收。

本实用新型中将EDS探测器设置在物镜内部，节省空间、提高空间利用率的同时，EDS在物镜内部可以更靠近极靴头、更接近样品表面，可以采集到更高质量的图像数据，并且可以和CL、SE同时使用，便于分析材料性质。

其中，EDS通过旁侧式X射线探测器实现，但该X射线探测器接收的X射线信号的立体角小，收集效率低，无法获取高速度的X射线图像；虽然设置多个X射线探测器可增加探测X射线的立体角，但实现方法繁琐且占用空间。

CL：平插式：优点是具有高效聚光镜和光导管，收集效率高，缺点占用空间，导致其他配件如BSE无法同时使用；斜插式：节省空间，适合于CL与SE同时采集。

本实用新型将EDS探测器装配在物镜内，这样合理利用极靴内部的空间，同时EDS探测器斜插在物镜内部可以使探头靠近样品上表面，且CL荧光探测器可以平插式装在最优位置，减小了两个探测器的探测距离，能够同时使用两个探测器，并且增大探测效率，进一步可以实现快速大尺寸样品的扫描，有效的节省时间，更快的得到高质量的数据。

本实用新型中，CL荧光探测器的数量≥1个，SE探测器的数量≥1个。

本实用新型针对大面积连续扫描方法提供一个对比例和一个实施例。对比例和实施例所使用的探测系统均为本实用新型上述的复合结构的探测系统，通过对样品台在扫描过程中的移动方式实现对扫描方法的改进，提高扫描效率。

对比例：

如图3、图5的传统方法对应图所示，传统技术进行扫描时会将扫描区域分成矩阵块，如图3所示的九格矩阵，然后对各个格子区域进行逐行线扫描。具体步骤包括：

1、首先使用线扫描影像可视区域1内的101行，所花时间为扫描时间t₁；

2、扫描完101后，主电子束通过偏转器控制移至下一扫描线的起始点102，所花时间为电子束驰返回时间t₂，以及平台步进时间t₃；

3、重复第二步扫描完可视区域1内，从101扫描至110(此处假设总共扫描n行)，所花时间为n(驰返回时间t₂+扫描时间t₁+平台步进时间t₃)；

4、扫描完可视区域后1，画面更换到区域2，主电子束移至下一扫描线的起始点，并且样品台需要移动，所花时间为平台更换扫描区域时间t₄；

5、为了提高画面的品质，使用线平均法系于进行下一区域线扫描之前于同一位置重复进行线扫描多次，便于后续图像进行拼接，其中重复扫描部分所花时间为t₅；

6、最终将所有平均线矩阵1-9拼接形成大面积二维像素阵列的影像。所花时间为T₁＝9n*(驰返回时间t₂+扫描时间t₁+平台步进时间t₃)+9*平台更换扫描区域时间t₄+9*重复扫描时间t₅。

实施例：

本实用新型提供一种大面积快速采集图像的方法，如图4、图5所示，该方法运用串行采集横扫的扫描方法，样品台在单列扫描内保持匀速移动，始终保持串行采集横扫，当扫完一列后，从区域1换到区域2，最终可以完成大尺寸的CL荧光图像信息采集。整个扫描过程节省了电子束转换行101到102时的平台步进时间t₃；节省了矩阵扫描方法过程中的拼接时所需要的重复扫描时间t₄；并且穿行横扫会比矩阵扫描方法节省部分平台更换扫描区域时间t₈。该方法的步骤包括：

1、首先使用线扫描影像可视区域1内的101，所花时间为扫描时间t₇；

2、扫描完101后，主电子束通过偏转器控制移至下一扫描线的起始点102，所花时间为电子束驰返回时间t₈，节省了以及平台步进时间t₃；

3、重复第二步扫描完可视区域1内，从101扫描至110(此处假设总共扫描n行)，所花时间为n(驰返回时间t₈+扫描时间t₇)；

4、扫描完可视区域后1，画面更换到区域2，主电子束移至下一扫描线的起始点，并且样品台需要移动，所花时间为平台步进时间t₈；

5、此方法为串行采集横扫，所以节省了矩阵扫描所需的重复扫描部分所花时间为t₄；

6、最终将所有图像1-3拼接形成大面积二维像素阵列的影像。所花时间为T1＝3n*(驰返回时间t8+扫描时间t7)+3*平台更换扫描区域时间t₈。

以上对本申请实施例所提供的一种复合结构的探测系统及探测方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“中”、“横向”、“竖向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

Claims (10)

1.一种复合结构的探测系统，其特征在于，所述系统包括：电子源、电子加速电极、物镜、EDS探测器、样品、样品台和控制单元；

所述电子源设于顶部正中，所述电子加速电极设于所述电子源下方，所述物镜设于所述电子加速电极下方，所述样品设于所述物镜下方；所述电子源产生的电子束依次经过电子加速电极和所述物镜后到达所述样品的表面；

所述EDS探测器以斜插方式设置在所述物镜内部，所述EDS探测器的探头位于所述物镜的探测口处；

所述样品置于所述样品台上；所述样品台、所述EDS探测器、所述电子源和所述物镜均与所述控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的复合结构的探测系统，其特征在于，所述物镜的外环侧壁上设有过孔，所述EDS探测器的尾端位于所述过孔内，且所述EDS探测器的外周与所述过孔密封式连接。

3.根据权利要求2所述的复合结构的探测系统，其特征在于，所述EDS探测器的尾端与伸缩结构连接，且跟随所述伸缩结构的伸缩动作斜向位移；

所述伸缩结构与所述控制单元连接。

4.根据权利要求1所述的复合结构的探测系统，其特征在于，所述EDS探测器为设有准直器和电子捕集阱的探测器，所述准直器和所述电子捕集阱均设置在探头端，且所述准直器位于最外端；

所述EDS探测器的最前端设有能够反射电子的反射材料膜。

5.根据权利要求1所述的复合结构的探测系统，其特征在于，所述物镜与所述样品上表面的距离为5mm以内。

6.根据权利要求5所述的复合结构的探测系统，其特征在于，所述物镜与所述样品上表面的距离为3-4mm。

7.根据权利要求1所述的复合结构的探测系统，其特征在于，所述系统还包括SE探测器，所述SE探测器设置在所述物镜内环侧壁的近上端处；

所述SE探测器与所述控制单元连接。

8.根据权利要求1所述的复合结构的探测系统，其特征在于，所述系统还包括CL荧光探测器，所述CL荧光探测器在竖直方向上设置在所述物镜和所述样品之间；

所述CL荧光探测器与所述控制单元连接。

9.根据权利要求8所述的复合结构的探测系统，其特征在于，所述CL荧光探测器的前端设有彩色滤光片。

10.根据权利要求1所述的复合结构的探测系统，其特征在于，所述物镜包括物镜本体、物镜线圈和偏转线圈；

所述物镜线圈设置在所述物镜本体内腔的顶部；

所述偏转线圈设于所述物镜本体内环的外壁上。

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