PL226521B1 - Zespół kierunkowej detekcji elektronów - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zespół kierunkowej detekcji elektronów, zwłaszcza przeznaczony do kierunkowej detekcji elektronów o energiach początkowych przekraczających 1 keV, w zmiennym zakresie ciśnień w komorze przedmiotowej, od wartości mniejszych od 0,1 Pa do wartości przekraczających 1000 Pa i w szczególności dedykowany do obrazowania trójwymiarowego obiektów nieprzewodzących lub zawierających wodę z zastosowaniem metody wielodetektorowej.

Z międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO2010008307A2, będącego rozszerzeniem patentu PL217173, znany jest układ detekcyjny elektronów, przeznaczony zwłaszcza do skaningowego mikroskopu elektronowego do detekcji elektronów wtórnych, o zmiennym ciśnieniu gazu w komorze przedmiotowej, charakteryzuje się tym, że zawiera komorę pośrednią różnicowego układu próżniowego, gdzie panuje ciśnienie pośrednie. Komora pośrednia jest umieszczona pod soczewką obiektywową skaningowego mikroskopu elektronowego i uszczelniona za pomocą uszczelki w otworze soczewki obiektywowej. Do otworu w bocznej części komory pośredniej został szczelnie wklejony światłowód główny, wykonany w formie pręta z poli-metakrylanu metylu. We wnętrzu komory pośredniej, za pomocą wkładek izolujących jest zamocowana tuleja ekranująca w kształcie ściętego stożka, a w pobliżu dolnego otworu w tulei ekranującej jest umieszczona i odpowiednio odseparowana elektrycznie, anoda w kształcie metalowego pierścienia, pokrytego cienką warstwą scyntylatora. W dolnej części komory pośredniej znajduje się otwór, na osi którego znajduje się dolna przesłona dławiąca z małym otworem, wykonana z folii metalowej i zamocowana za pośrednictwem przekładki izolacyjnej. Tuleja ekranująca, anoda i dolna przesłona dławiąca są umieszczone współosiowo na osi elektronooptycznej, wzdłuż której biegnie wiązka elektronowa. Do dolnej przesłony dławiącej, za pośrednictwem przekładki izolacyjnej jest zamocowana przesłona odpychająca, wykonana z folii metalowej o powierzchni dobrze odbijającej światło. Otwór w przesłonie odpychającej jest większy niż w dolnej przesłonie dławiącej i ma oś symetrii przesuniętą poza oś elektronooptyczną, w kierunku światłowodu głównego.

Z polskiego opisu patentowego nr PL176633, Słówko Witold: Zespół detekcyjny elektronów wtórnych oraz artykułu Słówko Witold: Directional detection of secondary electrons for electron beam profilography, Vacuum 1999, vol. 52/4, s. 441-449” znany jest zespół kierunkowej detekcji elektronów dedykowany do trójwymiarowego odtwarzania topografii powierzchni za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego, z zastosowaniem tzw. metody wielodetektorowej. Przedstawiony tam detektor jest urządzeniem złożonym i ze względu na zastosowanie scyntylatorów zasilanych wysokim napięciem, przekraczającym 10 kV, wymaga utrzymania wysokiej próżni w komorze przedmiotowej, tj. ciśnienia gazów resztkowych znacznie poniżej 0,1 Pa. Z drugiej strony znany zespół służy do kierunkowej detekcji elektronów wtórnych o stosunkowo małych energiach początkowych, nie przekraczających 50 eV. Przy takich energiach elektronów molekuły gazów wykazują duże przekroje czynne na zderzenia z elektronami prowadzące do zmiany kierunku ich prędkości początkowej, co już przy ciśnieniach rzędu 10 Pa uniemożliwia kierunkową detekcję elektronów wtórnych, to znaczy detekcję, przy której sygnał wyjściowy stanowiłby informację o liczbie elektronów emitowanych w określonym kierunku. Ponieważ przekroje czynne na rozpraszanie maleją wraz ze wzrostem energii elektronów, istnieje możliwość ich kierunkowej detekcji w gazie o ciśnieniu rzędu setek Pa jeśli ich energie początkowe wynoszą co najmniej kilkaset elektronowoltów. Ta grupa elektronów emitowanych z preparatu w skaningowym mikroskopie elektronowym nazywana jest elektronami wstecznie rozproszonymi i oznaczana akronimem BSE (z angielskiego BackScatterd Electrons). Są znane detektory umożliwiające kierunkową detekcję BSE jak np. detektory BSE oferowane prze firmę KE Developments Ltd. pod nazwą: Solid State Backscattered Electron Detector (http://www.kedev.co.uk/detectors.htm). Jednak, ze względu na swoje rozmiary i wymagane kąty detekcji, taki detektor powinien się znajdować w odległości kilkunastu milimetrów od badanego obiektu. Przy ciśnieniach gazu około 1000 Pa średnia droga swobodna elektronów o energii pojedynczych keV nie przekracza milimetra, nie ma więc możliwości by docierały one do detektora po liniach prostych z zachowaniem kierunku prędkości początkowej, jak to jest wymagane w wypadku detekcji kierunkowej stosowanej przy trójwymiarowym obrazowaniu metodą wielodetektorową. Poza tym detektory półprzewodnikowe mają powierzchnię aktywną odsłoniętą na działanie czynników zewnętrznych i nie mogą być wystawione na długotrwałe działanie pary wodnej o relatywnie wysokim ciśnieniu, stanowiącej najczęściej stosowany gaz roboczy w skaningowej mikroskopii elektronowej o zmiennym ciśnieniu (VP SEM - z angielskiego Variable Pressure Scanning Electron Microscopy). Trójwymiarowe obrazowanie metodą wielodetektorową wymaga uzyPL 226 521 B1 skania czterech sygnałów z czterech ortogonalnych kierunków w celu odtworzenia kształtu powierzchni. Aby zobrazować morfologię tej powierzchni korzystnie jest dokonać detekcji sygnału elektronów wtórnych, gwarantującego uzyskanie obrazu o wysokiej rozdzielczości. Obraz ten zostaje nałożony na zrekonstruowaną powierzchnię w formie tak zwanej tekstury. Potrzebny jest zatem zespół do kierunkowej detekcji wysokoenergetycznych elektronów BSE w czterech ortogonalnych kierunkach z detektorem elektronów wtórnych, które mogą pracować w warunkach zmiennego ciśnienia gazu w komorze przedmiotowej mikroskopu, od wartości mniejszych od 0,1 Pa do wartości przekraczających 1000 Pa.

Powyższe wymogi spełnia według wynalazku, zespół kierunkowej detekcji elektronów, przeznaczony zwłaszcza do skaningowego mikroskopu elektronowego o zmiennym ciśnieniu gazu w komorze przedmiotowej, zawierający komorę pośrednią umieszczoną na drodze wiązki elektronowej do stolika przedmiotowego wypełnioną gazem o ciśnieniu mniejszym niż ciśnienie gazu w komorze przedmiotowej gdzie znajduje się miejsce emisji elektronów podlegających detekcji, co najmniej jedną przesłonę dławiącą przepływ gazu do komory pośredniej umieszczoną na osi wiązki elektronowej i półprzewodnikowe detektory elektronów.

Istota zespołu, według wynalazku, polega na tym, że we wnętrzu komory pośredniej ma układ detektorowy elektronów złożony z co najmniej dwóch półprzewodnikowych detektorów elektronów, korzystnie w formie diod PIN, umieszczonych parami symetrycznie względem osi wiązki elektronowej, z powierzchniami aktywnymi zwróconymi w stronę dolnej przesłony dławiącej oraz stolika przedmiotowego, w odległości od tej przesłony co najmniej trzykrotnie większej od średnicy otworu dolnej przysłony dławiącej.

Korzystnie, układ detektorowy elektronów jest wielosektorowy i wykonany w formie scalonej z co najmniej dwoma sektorami aktywnymi wykonanymi na wspólnym podłożu półprzewodnikowym.

Korzystnie, po stronie stolika przedmiotowego ma przesłonę ekranującą o średnicy otworu większej niż dolna przesłona dławiąca umieszczoną na wspólnej osi symetrii.

Istota zespołu, według wynalazku, polega również na tym, że we wnętrzu komory pośredniej ma wielosektorowy półprzewodnikowy układ detektorowy elektronów pochylony pod kątem mniejszym od 70° liczonym między normalną do powierzchni aktywnej a osią wiązki elektronowej, z co najmniej dwoma sektorami aktywnymi zwróconymi częściowo w stronę dolnej przesłony dławiącej oraz stolika przedmiotowego, rozmieszczonymi parami symetrycznie względem punktu przecięcia płaszczyzny powierzchni aktywnej układu detektorowego elektronów z osią wiązki elektronowej jak też umieszczonymi w odległości od dolnej przesłony dławiącej co najmniej trzykrotnie większej od średnicy otworu dolnej przesłony dławiącej.

Korzystnie po stronie stolika przedmiotowego ma przesłonę ekranującą o średnicy otworu większej niż dolna przesłona dławiąca umieszczoną na wspólnej osi symetrii.

Korzystnie wewnątrz komory pośredniej ma anodę i/lub dolną przesłonę dławiącą pokrytą scyntylatorem.

Korzystnie, układ detektorowy elektronów ma otwór centralny, w którym na osi wiązki elektronowej umieszczona jest tulejka ekranująca korzystnie o kształcie ściętego stożka zwężającego się w kierunku dolnej przesłony dławiącej.

Korzystnym jest, gdy anoda, tulejka ekranująca i dolna przesłona dławiąca mają symetrię obrotową przynajmniej w części zwróconej w stronę dolnej przesłony dławiącej i umieszczone są na wspólnej osi symetrii pokrywającej się z osią wiązki elektronowej.

Korzystnym jest również, gdy tulejka ekranująca ma w ściance bocznej otwór ekstrakcyjny, najkorzystniej przesłonięty siateczką metalową nie połączoną elektrycznie z tulejką ekranującą.

Zaletą zespołu kierunkowej detekcji elektronów, według wynalazku jest możliwość jego pracy w bardzo szerokim zakresie ciśnień roboczych w komorze przedmiotowej, od ciśnień poniżej 0,1 Pa do ciśnień przekraczających 1000 Pa. Drugą istotną zaletą zespołu jest to, że stanowi źródło wszystkich niezbędnych sygnałów umożliwiających rekonstrukcję kształtu i morfologii powierzchni badanej próbki metodą wielodetektorową, z wykorzystaniem komputerowej akwizycji i przetwarzania sygnałów. Przy zastosowaniu zespołu kierunkowej detekcji elektronów, według wynalazku można zatem uzyskać trójwymiarowe obrazy powierzchni dielektrycznych i obiektów zawierających wodę w stanie naturalnym, takich jak tkanki, bakterie itp. Wszystkie niezbędne do tego informacje można uzyskać w jednym cyklu skanowania, co z kolei stwarza możliwość badania procesów dynamicznych, przez szybką rejestrację kolejnych faz procesu i tworzenie tzw. filmów poklatkowych. Zespół kierunkowej detekcji elektronów, według wynalazku, może być połączony z autonomicznym systemem próżni pośredniej

PL 226 521 B1 i w formie wyposażenia dodatkowego, zastosowany w standardowym skaningowym mikroskopie elektronowym typu wysokopróżniowego. W tym przypadku umożliwi on rozszerzenie możliwości badawczych takiego mikroskopu, na zakres podwyższonych ciśnień umożliwiając jednocześnie trójwymiarowe obrazowanie dielektryków oraz preparatów biologicznych w stanie naturalnym.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest odtworzony na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia zespół kierunkowej detekcji elektronów wyposażony w komorę pośrednią z kanałem bocznym prowadzącym do systemu próżniowego w przekroju pionowym i z widokiem miejscowym W7a na układ detektorowy elektronów z diodami półprzewodnikowymi oraz widokiem miejscowym W7b na układ detektorowy elektronów wielosektorowy, wykonany w formie scalonej, Fig. 2 - zespół kierunkowej detekcji elektronów wyposażony w komorę pośrednią bez kanału bocznego i z widokiem miejscowym W7a na układ detektorowy elektronów z diodami półprzewodnikowymi oraz widokiem miejscowym W7b na układ detektorowy elektronów wielosektorowy, wykonany w formie scalonej, a Fig. 3 - zespół kierunkowej detekcji elektronów wyposażony w scyntylacyjny detektor elektronów wtórnych z widokiem miejscowym W7 na układ detektorowy elektronów wielosektorowy, wykonany w formie scalonej.

P r z y k ł a d 1.

Zespół kierunkowej detekcji elektronów pokazany na Fig. 1 ma metalową komorę pośrednią 4 z kanałem bocznym prowadzącym do systemu próżniowego RP umożliwiającego utrzymanie we wnętrzu komory pośredniej 4 pośredniego ciśnienia gazu P2, mniejszego niż ciśnienie robocze gazu P1 w komorze przedmiotowej, korzystnie pary wodnej. Po stronie stolika przedmiotowego 1, na osi wiązki elektronowej PE, do komory pośredniej 4, za pośrednictwem tulei izolacyjnej 10, jest szczelnie zamocowana dolna przesłona dławiąca 3 o średnicy d otworu mniejszej od 1 mm. Od strony stolika przedmiotowego 1, współosiowo z dolną przesłoną dławiącą 3 zamocowana jest przesłona ekranująca 2, również za pośrednictwem tulei izolacyjnej 10. Przesłona dławiąca 3 i przesłona ekranująca 2 korzystnie mają kształt stożkowy i oddzielne wyprowadzenia elektryczne. Komora pośrednia 4 jest zamocowana przesuwnie pod powierzchnią czołową soczewki obiektywowej 8 i do niej uszczelniona za pomocą uszczelki 5 umieszczonej na obwodzie pierścienia dystansowego 9. We wnętrzu pierścienia dystansowego 9 znajduje się układ detektorowy elektronów 7 w formie płytki przewodzącej z otworem na osi wiązki elektronowej PE i czterema jednakowymi diodami półprzewodnikowymi typu PIN rozmieszczonymi symetrycznie wokół tego otworu tak jak to pokazano na widoku W7a. Jest korzystne, gdy kształt diod i ich ułożenie zapewni możliwie całkowite wypełnienie obrysu kołowego wyznaczającego maksymalny kąt detekcji elektronów. Powierzchnie czołowe diod tworzących układ detektorowy elektronów 7 są zwrócone w kierunku dolnej przesłony dławiącej 3. Podłoża półprzewodnikowe diod są połączone mechanicznie i elektrycznie z płytką przewodzącą zaopatrzoną w wyprowadzenie elektryczne T. Przepuszczalne dla elektronów elektrody sygnałowe naniesione na powierzchniach czołowych diod są zaopatrzone w niezależne wyprowadzenia elektryczne A, B, C, D.

Tak zbudowany układ detekcyjny elektronów działa w następujący sposób. Pierwotna wiązka elektronowa PE bombarduje powierzchnię obiektu umieszczonego na stoliku przedmiotowym 1 generując z niej strumień elektronów o różnych energiach początkowych. Aby uzyskać kierunkową detekcję elektronów powinny one dotrzeć do układu detektorowego elektronów 7 bez zmiany początkowego kierunku prędkości spowodowanej zderzeniami z molekułami gazu. O prawdopodobieństwie zderzeń rozpraszających decyduje iloczyn trzech parametrów: przekroju czynnego na zderzenia z molekułami danego gazu zależnego od energii elektronu, ciśnienia gazu i długości drogi elektronu. Elektrony o małych energiach początkowych nazywane są elektronami wtórnymi SE wykazują duży przekrój czynny na zderzenia z molekułami gazu i przy stosunkowo dużym ciśnieniu roboczym P1 często przekraczającym 1000 Pa ulegają silnemu rozpraszaniu, nie są zatem w stanie dotrzeć do dolnej przesłony dławiącej 3 z zachowaniem kierunku prędkości początkowej, mimo jej małej odległości g od stolika przedmiotowego 1. Ze względu na potrzebę zapewnienia stabilnego ciśnienia gazu w otoczeniu stolika przedmiotowego 1, jest korzystne gdy jego odległość g nie jest istotnie mniejsza od średnicy d otworu dolnej przesłony dławiącej 3, i w przykładzie 1 wynosi około 1 mm. Elektrony wtórne nie mogą zatem podlegać detekcji kierunkowej, przy której sygnał wyjściowy stanowiłby informację o liczbie elektronów emitowanych w określonym kierunku. Istnieje jednak grupa elektronów o energiach początkowych przekraczających 1 keV. Ponieważ przekroje czynne elektronów na rozpraszanie w gazie maleją ze wzrostem ich energii, elektrony o dużych energiach początkowych, klasyfikowane zazwyczaj jako elektrony wstecznie rozproszone BSE, są w stanie przebyć dystans do dolnej przesłony dławiącej 3 bez rozproszenia i zmiany kierunku prędkości. Po przejściu przez dolną przesłonę dławiącą

PL 226 521 B1 elektrony wstecznie rozproszone BSE powinny trafiać zgodnie z kierunkami ich prędkości początkowych do odpowiednich diod układu detektorowego elektronów 7. W związku z tym elektrony nie powinny ulegać rozpraszającym zderzeniom z molekułami gazu o ciśnieniu pośrednim P2 mimo, że muszą przebyć stosunkowo dużą odległość h między dolną przesłoną dławiącą 3 i układem detektorowym elektronów 7 wynoszącą tu 10 mm. Ponieważ prawdopodobieństwo rozpraszania elektronów jest proporcjonalne do iloczynu ciśnienia gazu i przebytej w nim drogi, to aby zapewnić warunki prostoliniowej propagacji elektronów wstecznie rozproszonych BSE w komorze pośredniej 4 nie gorsze niż w komorze przedmiotowej, korzystne jest spełnienie nierówności P1 g > P2 h. W podanych tu warunkach jest zatem korzystne jeśli ciśnienie pośrednie gazu P2 jest przynajmniej 10 razy mniejsze niż ciśnienie robocze gazu P1 w komorze przedmiotowej.

Dolna przesłona dławiąca 3 jest niezbędna by ograniczyć przepływ gazu z komory przedmiotowej do komory pośredniej 4, lecz stanowiąc jednocześnie okno wejściowe detektora, wyznacza wraz z odległością g kąt bryłowy strumienia elektronów wstecznie rozproszonych BSE podlegających detekcji i poziom uzyskiwanego sygnału. Drugie ograniczenie strumienia elektronów podlegających detekcji stanowi otwór centralny w układzie detektorowym elektronów 7, niezbędny dla przepuszczenia wiązki elektronowej PE. Ponieważ minimalna średnica tego otworu, podobnie jak minimalna odległość g stolika przedmiotowego 1, nie może być mniejsza niż średnica d otworu dolnej przysłony dławiącej 3, straty prądu elektronowego na otworze centralnym są do zaniedbania jeśli odległość h od dolnej przesłony dławiącej 3 jest co najmniej trzykrotnie większa od średnicy d dolnej przesłony dławiącej 3.

Cztery sygnały wyjściowe z diod wchodzących w skład układu detektorowego elektronów 7 uzyskane za pośrednictwem wyprowadzeń elektrycznych T, A, B, C, D są wzmacniane przez wzmacniacze elektroniczne i przetwarzane w komputerze w celu odtworzenia kształtu badanej powierzchni. Korzystne jest nałożenie na tę powierzchnię tekstury otrzymanej na podstawie sygnału elektronów wtórnych. Do detekcji sygnału elektronów wtórnych wykorzystano dolną przesłonę dławiącą 3 spolaryzowaną dodatnio względem stolika przedmiotowego 1 napięciem ekstrakcyjnym rzędu kilkuset Voltów. Pod wpływem napięcia ekstrakcyjnego elektrony wtórne poruszają się w kierunku dolnej przesłony dławiącej 3 w niewielkiej odległości od osi wiązki elektronowej PE i w lawinie zderzeniach jonizujących ulegają multiplikacji. Aby wyeliminować elektrony wstecznie rozproszone BSE z sygnału elektronów wtórnych odbieranego z dolnej przesłony dławiącej 3, została ona osłonięta od strony stolika przedmiotowego za pomocą przesłony ekranującej 2 wychwytującej elektrony rozproszone pod dużymi kątami. Jest korzystne jeśli przesłona ekranująca 2 jest spolaryzowana niewielkim napięciem ujemnym. Wtedy przechwytuje część jonów dodatnich powstałych w lawinie jonizacyjnej i można uniknąć zbyt dużego dodatniego ładunku przestrzennego w pobliżu obiektu.

P r z y k ł a d 2.

Zespół kierunkowej detekcji elektronów pokazany na Fig. 2 jest wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że ma komorę pośrednią 4 bez kanału bocznego prowadzącego do systemu próżniowego RP, a pierścień dystansowy 9 ma szyjkę umożliwiającą zamocowanie w otworze soczewki obiektywowej 8, przy tym układ detektorowy elektronów 7 jest wielosektorowy i wykonany w formie scalonej z czterema sektorami aktywnymi wykonanymi na wspólnym podłożu półprzewodnikowym S tak jak to pokazano na widoku W7b.

Tak zbudowany zespół kierunkowej detekcji elektronów działa w sposób analogiczny jak to opisano w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że w celu uzyskania ciśnienia pośredniego P2 gaz jest wypompowany przez otwór w soczewce obiektywowej 8 przystosowanej do tego celu.

P r z y k ł a d 3.

Zespół kierunkowej detekcji elektronów pokazany na Fig. 3 jest wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że we wnętrzu komory pośredniej 4 ma wielosektorowy układ detektorowy elektronów 7 z co najmniej dwoma sektorami aktywnymi na wspólnym podłożu półprzewodnikowym zwróconymi w stronę dolnej przesłony dławiącej 3 i pochylony w kierunku czoła światłowodu 11 pod kątem γ mniejszym od 70° liczonym między normalną do powierzchni aktywnej a osią wiązki elektronowej PE, Jak to pokazuje widok W7, sektory aktywne układu detektorowego elektronów 7 są rozmieszczone parami symetrycznie względem punktu przecięcia płaszczyzny powierzchni aktywnej układu detektorowego elektronów 7 z osią wiązki elektronowej PE, jak też umieszczone w odległości h wymienionego punktu przecięcia do dolnej przesłony dławiącej 3 co najmniej trzykrotnie większej od średnicy d dolnej przesłony dławiącej 3. Układ detektorowy elektronów 7 ma otwór centralny, w którym na osi wiązki elektronowej PE zamocowana jest tulejka ekranująca 12 korzystnie o kształcie ściętego stożka zwężającego się w kierunku dolnej przesłony dławiącej 3. Tulejka ekranująca 12 ma w bocznej

PL 226 521 B1 ściance otwór ekstrakcyjny 15, korzystnie przesłonięty metalową siateczką nie połączoną elektrycznie z tulejką ekranującą 12. Na wewnętrznym obwodzie tulei izolacyjnej 10 korzystnie przeźroczystej dla światła, umieszczona jest anoda 13 w formie przewodzącego pierścienia, korzystnie z siatki metalowej, korzystnie w formie cienkiej warstwy przewodzącej przeźroczystej dla światła. Anoda 13, tulejka ekranująca 12 i dolna przesłona dławiąca 3 mają symetrię obrotową przynajmniej w części zwróconej w stronę dolnej przesłony dławiącej 3 i umieszczone są na wspólnej osi symetrii pokrywającej się z osią wiązki elektronowej PE. Na wewnętrznej powierzchni anody 13 i dolnej przesłony dławiącej 3 naniesiona jest cienka warstwa scyntylatora 14. W kanale bocznym komory pośredniej 4 umieszczony jest światłowód 11 prowadzący do fotopowielacza PM, i zwrócony powierzchnią czołową w stronę układu detektorowego elektronów 7 i tulei izolacyjnej 10.

Tak zbudowany zespół kierunkowej detekcji elektronów działa w sposób analogiczny jak to opisano w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że został połączony w jedną całość ze scyntylacyjnym detektorem elektronów wtórnych i układ detektorowy elektronów 7 służy nie tylko do detekcji elektronów wstecznie rozproszonych BSE lecz również jako fotodetektor przetwarzający światło emitowane ze scyntylatora 14 na sygnał elektryczny, a także jako zwierciadło odbijające to światło w kierunku światłowodu 11. Niskoenergetyczne elektrony wtórne są przyciągane przez dolną przesłonę dławiącą 3 spolaryzowaną napięciem dodatnim i ulegają multiplikacji w kaskadzie jonizacyjnej, analogicznie jak to opisano w przykładzie pierwszym. Jednak w tym przykładzie wykonania, zmultiplikowany strumień elektronów wtórnych zostaje skupiony na osi dolnej przesłony dławiącej 3 i przynajmniej połowa tego strumienia przechodzi do wnętrza komory pośredniej 4 i ulega przyśpieszeniu w polu elektrycznym anody 13. Tulejka ekranująca 12 polaryzowana małym napięciem ujemnym odpycha elektrony i ich przepływ skierowany jest do anody 13 zasilanej napięciem dodatnim, dochodzącym do kilku kV. Również wewnątrz komory pośredniej 4, przepływ prądu elektronowego wiąże się z jonizacją lawinową molekuł gazu lecz stosunkowo małe ciśnienie pośrednie gazu P2 nie przekraczające kilkudziesięciu Pa powoduje, że multiplikacja strumienia elektronowego jest relatywnie mała. Z drugiej strony, małe są również straty energii kinetycznej elektronów w gazie i jej większość jest przetwarzana na fotony w scyntylatorze 14 pokrywającym anodę 13. Sygnał świetlny generowany w scyntylatorze pada na powierzchnię układu detektorowego elektronów 7, którego sektory aktywne pokryte są cienką warstwą aluminium stanowiącego elektrodę sygnałową. Bardzo cienka warstwa aluminium jest częściowo przeźroczysta zarówno dla elektronów jak i dla światła, zaś układ detektorowy elektronów 7 reaguje podobnie na strumień elektronów o określonej energii jak i strumień świetlny o określonej długości fali, wytwarzając prąd wyjściowy proporcjonalny do tego strumienia. Oznacza to, że detekcja kierunkowa elektronów wstecznie rozproszonych BSE i elektronów wtórnych musi być prowadzona naprzemiennie, bowiem przy włączonych napięciach elektrod detektora elektronów wtórnych sygnał wyjściowy układu detektorowego elektronów 7 jest mieszaniną sygnałów elektronów wstecznie rozproszonych BSE i elektronów wtórnych.

Większość światła generowanego w scyntylatorze 14 odbija się od powierzchni układu detektorowego elektronów 7 w kierunku światłowodu 11 prowadzącego do fotopowielacza PM, gdzie ulega powtórnej konwersji na sygnał elektronowy i wzmocnieniu. Sygnał wyjściowy z fotopowielacza odzwierciedla czysty sygnał elektronów wtórnych. Czułość detektora elektronów wtórnych została zwiększona przez wykorzystanie fotonów generowanych w scyntylatorze 14 i przechodzących przez przeźroczystą anodę 13 i przeźroczystą tuleję izolacyjną 10 wprost do światłowodu 11. Wykorzystywane są również fotony generowane przez gaz przy relaksacji wzbudzeń. Ponieważ znaczna część energii scyntylacji gazu wypromieniowywana jest w zakresie nadfioletu, nie podlegającego fotodetekcji, wewnętrzna powierzchnia przesłony dławiącej 3 pokryta jest warstwą scyntylatora 14, w którym następuje konwersja promieniowania nadfioletowego na światło widzialne, transportowane do fotopowielacza PM, analogicznie jak sygnał świetlny generowany w scyntylatorze 14 na powierzchni anody 13.

Zaletą opisanego detektora scyntylacyjnego elektronów wtórnych jest wysoka czułość i szybkość działania, a także znaczna niezależność od ciśnienia roboczego gazu P1 w komorze przedmiotowej. W wypadku pracy z bardzo małym ciśnieniem roboczym gazu P1 w komorze przedmiotowej, ciśnienie pośrednie gazu P2 podwyższa się do wartości optymalnej dla pracy detektora elektronów wtórnych przez dozowanie gazu wprost do komory pośredniej 4. W wypadku gdy ciśnie pośrednie gazu P2 musi być utrzymane na poziomie niższym niż 10 Pa, praktycznie nie występuje rozpraszanie elektronów na molekułach gazu i elektrony wtórne są ogniskowane na wlocie tulejki ekranującej 12. Polaryzacja tulejki ekranującej 12 jest bliska 0 V, więc elektrony wtórne wnikają do jej wnętrza i poruszają wzdłuż osi wiązki PE aż do otworu ekstrakcyjnego 15, przez który wnika do wnętrza tulejki ekraPL 226 521 B1 nującej pole elektryczne anody 13 wyciągające elektrony w jej kierunku. Korzystnie w otworze ekstrakcyjnym 15 jest umieszczona metalowa siateczka nie połączona elektrycznie z tulejką ekranującą i jej polaryzacja dodatnim napięciem elektrycznym wzmacnia ekstrakcję elektronów i ich przepływ do anody 13.

Analogicznie jak w przykładzie pierwszym, cztery sygnały z diod układu detektorowego elektronów 7 zostają wzmocnione i przetworzone w komputerze, w celu odtworzenia trójwymiarowego kształtu badanej powierzchni. Wysokiej jakości obraz otrzymany z opisanego detektora scyntylacyjnego elektronów wtórnych, zostaje nałożony komputerowo na odtworzony kształt powierzchni, w formie tak zwanej tekstury informującej o morfologii powierzchni, a także podkreślającej drobne detale jej topografii.

Claims (15)

Zastrzeżenia patentowe

1 - stolik przedmiotowy,

1. Zespół kierunkowej detekcji elektronów, przeznaczony zwłaszcza do skaningowego mikroskopu elektronowego o zmiennym ciśnieniu gazu w komorze przedmiotowej, zawierający komorę pośrednią umieszczoną na drodze wiązki elektronowej do stolika przedmiotowego wypełnioną gazem o ciśnieniu mniejszym niż ciśnienie gazu w komorze przedmiotowej gdzie znajduje się miejsce emisji elektronów podlegających detekcji, co najmniej jedną przesłonę dławiącą przepływ gazu do komory pośredniej umieszczoną na osi wiązki elektronowej i półprzewodnikowe detektory elektronów, znamienny tym, że we wnętrzu komory pośredniej (4) ma układ detektorowy elektronów (7) złożony z co najmniej dwóch półprzewodnikowych detektorów elektronów, umieszczonych parami symetrycznie względem osi wiązki elektronowej (PE), z powierzchniami aktywnymi zwróconymi w stronę dolnej przesłony dławiącej (3) oraz stolika przedmiotowego (1), w odległości (h) od tej przesłony co najmniej trzykrotnie większej od średnicy (d) otworu dolnej przysłony dławiącej (3).

2 - przesłona ekranująca,

2. Zespół, według zastrz. 1, znamienny tym, że półprzewodnikowe detektory elektronów układu detektorowego elektronów (7) są diodami PIN.

3 - dolna przesłona dławiąca,

3. Zespół, według zastrz. 1, znamienny tym, że układ detektorowy elektronów (7) jest wielosektorowy i wykonany w formie scalonej z co najmniej dwoma sektorami aktywnymi wykonanymi na wspólnym podłożu półprzewodnikowym.

4 - komora pośrednia,

4. Zespół, według zastrz. 1, znamienny tym, że po stronie stolika przedmiotowego (1) ma przesłonę ekranującą (2) o średnicy większej niż dolna przesłona dławiąca (3) umieszczoną na wspólnej osi symetrii.

5 - uszczelka,

5. Zespół kierunkowej detekcji elektronów, przeznaczony zwłaszcza do skaningowego mikroskopu elektronowego o zmiennym ciśnieniu gazu w komorze przedmiotowej, zawierający komorę pośrednią umieszczoną na drodze wiązki elektronowej do stolika przedmiotowego wypełnioną gazem o ciśnieniu mniejszym niż ciśnienie gazu w komorze przedmiotowej gdzie znajduje się miejsce emisji elektronów podlegających detekcji, co najmniej jedną przesłonę dławiącą przepływ gazu do komory pośredniej umieszczoną na osi wiązki elektronowej i co najmniej jeden wielosektorowy półprzewodnikowy układ detektorowy elektronów korzystnie w formie kwadrantowej diody PIN, znamienny tym, że we wnętrzu komory pośredniej (4) ma wielosektorowy półprzewodnikowy układ detektorowy elektronów (7) pochylony pod kątem (γ) mniejszym od 70° liczonym między normalną do powierzchni aktywnej a osią wiązki ekranowej (PE) z co najmniej dwoma sektorami aktywnymi zwróconymi częściowo w stronę dolnej przesłony dławiącej (3) oraz stolika przedmiotowego (1), rozmieszczonymi parami symetrycznie względem punktu przecięcia płaszczyzny powierzchni aktywnej układu detektorowego elektronów (7) z osią wiązki elektronowej (PE) jak też umieszczonymi w odległości (h) od dolnej przesłony dławiącej (3) co najmniej trzykrotnie większej od średnicy (d) otworu dolnej przesłony dławiącej (3).

6 - górna przesłona dławiąca,

6. Zespół według zastrz. 5, znamienny tym, że po stronie stolika przedmiotowego (1) ma przesłonę ekranującą (2) o średnicy większej niż dolna przesłona dławiąca (3) umieszczoną na wspólnej osi symetrii.

7 - układ detektorowy elektronów,

7. Zespół według zastrz. 5, znamienny tym, że wewnątrz komory pośredniej (4) ma anodę (13) pokrytą scyntylatorem (14).

PL 226 521 B1

8 - soczewka obiektywowa,

8. Zespół według zastrz. 5, znamienny tym, że ma dolną przesłonę dławiącą (3) pokryta scyntylatorem (14).

9 - pierścień dystansowy,

9. Zespół według zastrz. 5, znamienny tym, że układ detektorowe elektronów (7) ma otwór centralny w którym na osi wiązki elektronowej (PE) umieszczona jest tulejka ekranująca (12) korzystnie o kształcie ściętego stożka zwężającego w kierunku dolnej przesłony dławiącej (3).

10 - tuleja izolacyjna,

10. Zespół, według zastrz. 7 i 9, znamienny tym, że anoda (13) tulejka ekranująca (12) i dolna i przesłona dławiąca (3) mają symetrią obwodową przynajmniej w części zwróconej w stroną dolnej przesłony dławiącej (3) i umieszczone są na wspólnej osi symetrii pokrywającej się z osią wiązki elektronowej (PE).

11 - światłowód,

11. Zespół, według zastrz. 9 i 10, znamienny tym, że tulejka ekranująca (12) ma w ściance bocznej otwór ekstrakcyjny (15), korzystnie przesłonięty siateczką metalową nie połączoną elektrycznie z tulejką ekranującą (12).

Wykaz oznaczeń na rysunku:

12 - tulejka ekranująca,

13 - anoda,

14 - scyntylator,

15 - otwór ekstrakcyjny,

P1 - ciśnienie robocze gazu,

P2 - ciśnienie pośrednie gazu,

P3 - ciśnienie niskie gazu,

BSE - elektrony wstecznie rozproszone,

PE -wiązka elektronowa, d - średnica otworu dolnej przesłony dławiącej, g - odległość dolnej przesłony dławiącej 3 od stolika przedmiotowego 1, h - odległość dolnej przesłony dławiącej 3 od układu detektorowego elektronów 7,

S, T, A, B, C, D - wyprowadzenia elektryczne.