TWI573165B - 電子顯微鏡、讀取器以及擷取元素頻譜之方法 - Google Patents

Description

電子顯微鏡、讀取器以及擷取元素頻譜之方法

本發明是有關一種電子顯微鏡以及擷取元素頻譜之方法，特別是一種具有多個元素頻譜偵測器之電子顯微鏡以及擷取元素頻譜之方法。

X光能譜散佈分析(Energy dispersive X-ray Analytics，EDS)技術是藉由擷取帶電粒子束(例如電子束)轟擊樣品所引發的特徵X光頻譜(characteristic X-rays spectrum)，來分析各峰值所在的能量位置，而鑑別出受帶電粒子束激發之樣品的成份組成，同時亦可進一步定量計算各元素所占的比例。因此，X光能譜散佈分析技術已被廣泛應用於各產業的材料分析方法。然而，電子轟擊樣品所發出的X光訊號極微弱，且受到偵測器與樣品間的相對幾何配置，即立體角(solid angle)的影響，因此元素頻譜的收集過程相當耗時，因而導致時間成本昂貴。

綜上所述，如何有效擷取電子轟擊樣品所發出的X光訊號以縮短元素頻譜的收集時間便是目前極需努力的目標。

本發明提供一種電子顯微鏡以及擷取元素頻譜之方法，其是設置多個元素頻譜偵測器，並將元素頻譜偵測器所測得之訊號校正後累加，以縮短元素頻譜的收集時間。

本發明一實施例之電子顯微鏡包含一載台、一帶電粒子束產生器、多個元素頻譜偵測器以及一讀取器。載台用以承載一樣品。帶電粒子束產生器用以產生一帶電粒子束以轟擊樣品。多個元素頻譜偵測器用以偵測經帶電粒子束轟擊而自樣品放射出之X光，並輸出相對應之多個頻譜偵測訊號，其中多個元素頻譜偵測器相對於樣品之立體角或規格相異。讀取器用以校正依據多個頻譜偵測訊號所產生之多個計數訊號並進行累加，以獲得樣品之一元素頻譜。

本發明另一實施例之讀取器是與一電子顯微鏡配合以獲得一元素頻譜，其中電子顯微鏡包含多個元素頻譜偵測器以及多個波形處理器。讀取器包含多個第一連接埠、一主處理單元、一次處理單元以及一儲存單元。多個第一連接埠分別與多個波形處理器電性連接，其中多個波形處理器分別與多個元素頻譜偵測器電性連接，用以處理多個元素頻譜偵測器所輸出之多個頻譜偵測訊號，並輸出相對應之多個計數訊號，其中多個元素頻譜偵測器相對於樣品之立體角或規格相異。主處理單元與多個第一連接埠電性連接，用以產生一控制指令並輸出至多個波形處理器。次處理單元與多個第一連接埠電性連接，其用以接收、校正並累加多個計數訊號，並輸出元素頻譜。儲存單元與次處理單元電性連接，用以儲存元素頻譜。

本發明又一實施例之擷取元素頻譜之方法包含以一帶電粒子束轟擊一樣品；以多個元素頻譜偵測器偵測經帶電粒子束轟擊而自樣品放射出之X光，以產生相對應之多個頻譜偵測訊號，其中多個元素頻譜偵測器相對於樣品之 立體角或規格相異；以及校正依據多個頻譜偵測訊號所產生之多個計數訊號並進行累加，以獲得樣品之一元素頻譜。

以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

11‧‧‧載台

12‧‧‧帶電粒子束產生器

121‧‧‧帶電粒子束

122‧‧‧背向散射帶電粒子

13a~13d‧‧‧元素頻譜偵測器

14a、14b‧‧‧波形處理器

15、15a、15b‧‧‧讀取器

150‧‧‧匯流排

151a、151b‧‧‧第一連接埠

152‧‧‧主處理單元

153‧‧‧次處理單元

1531‧‧‧可程式化邏輯閘陣列

1532‧‧‧暫存器

154‧‧‧儲存單元

155‧‧‧網路介面

156‧‧‧第二連接埠

16‧‧‧帶電粒子偵測器

20‧‧‧樣品

30‧‧‧電腦

40‧‧‧集線器

P1~P6‧‧‧波峰

S51~S54‧‧‧步驟

圖1為一示意圖，顯示本發明一實施例之電子顯微鏡。

圖2為一示意圖，顯示不同元素頻譜偵測器所測得之元素頻譜。

圖3為一示意圖，顯示本發明一實施例之讀取器。

圖4為一示意圖，顯示本發明另一實施例之電子顯微鏡。

圖5為一示意圖，顯示本發明一實施例之擷取元素頻譜之方法。

以下將詳述本發明之各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細說明之外，本發明亦可廣泛地施行於其它的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本發明之範圍內，並以申請專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免對本發明形成不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，有些細節可能未完全繪出，以求圖式之簡潔。

需事先說明的是，說明書所提到之電子顯微鏡一詞並非專指以電子束轟擊樣品並偵測相關訊號而成像之裝置，其亦包含以其它帶電粒子束轟擊樣品，例如正子或其它帶電離子，並偵測相關訊號而成像之裝置。請參照圖1，本發明之一實施例之電子顯微鏡包含一載台11、一帶電粒子束產生器12、多個元素頻譜偵測器13a、13b以及一讀取器15。載台11用以承載一樣品20。舉例而言，載台11包含適當之固定元件以固定樣品。於一實施例中，載台11亦可包含其它機械構件，以使載台11能夠進行旋轉、傾斜或平移等運動。帶電粒子束產生器12用以產生一帶電粒子束121以轟擊樣品20。於一實施例中，帶電粒子束121可為電子束、正子束、帶電離子束等。可以理解的是，本發明之電子顯微鏡更包含聚焦裝置以及形成真空環境之腔體等習知之構件。電子顯微鏡之其它相關習知構件可為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所能了解並加以實現，故在此省略相關說明。

接續上述說明，多個元素頻譜偵測器13a、13b用以偵測經帶電粒子束121轟擊而自樣品20放射出之X光，並輸出相對應之多個頻譜偵測訊號。於一實施例中，元素頻譜偵測器13a、13b所量測之頻譜偵測訊號能夠以一放大器進行訊號放大以利後續訊號處理。可以理解的是，受到腔體空間的限制，元素頻譜偵測器13a、13b相對於樣品20之立體角可為相同或相異。讀取器15則用以校正依據多個頻譜偵測訊號所產生之多個計數訊號，並將校正後之多個計數訊號進行累加，即可獲得樣品20的元素頻譜。舉例而言，校正方法可為線性校正。於一實施例中，每一元素頻譜偵測器13a、13b可分別與一波形處理器14a、14b電性連接。波形處理器14a、14b可對元素頻譜偵測器13a、13b所量測之頻譜偵測訊號進行處理，以獲得相對應之計數訊號。

讀取器15可將所擷取之元素頻譜傳送至後端之電腦30，以供使用者判讀或作其它之利用。舉例而言，本發明之電子顯微鏡包含一帶電粒子偵測器 16，其用以偵測經帶電粒子束121轟擊而自樣品20放射出之背向散射帶電粒子122或二次帶電粒子，並輸出相對應之一帶電粒子偵測訊號。依據帶電粒子偵測器16所量測之帶電粒子偵測訊號即可形成相對應之一掃描影像。電腦30可將樣品20之元素頻譜映射至樣品20之掃描影像。舉例而言，電腦30可鑑別出樣品檢測區的元素組成及/或進一步定量計算各元素所占的比例，並將元素組成以及其比例標記於樣品之掃描影像上。可以理解的是，讀取器15所擷取之元素頻譜並不限於映射至二維之掃描影像，元素頻譜亦可僅單純呈現單點掃描或線掃描區域之元素組成及/或各元素所占的比例。需注意者，讀取器15能夠以硬體或軟體的方式實現。舉例而言，讀取器15以軟體的型式安裝於電腦30中，以進行校正以及累加等處理。為了降低電腦30之運算負擔，讀取器15亦能夠以硬體的方式實現，詳細架構容後說明。

元素頻譜偵測器的量測結果是受到元素頻譜偵測器相對於樣品之間的相對幾何配置，即立體角的影響。換言之，元素頻譜偵測器之偵測面積以及與樣品間之距離皆會影響元素頻譜偵測器的量測結果。因此，理想的狀況下，選擇規格相同之元素頻譜偵測器且設置於同一環面(即具有立體角相同)可獲得較佳之量測結果。然而，電子顯微鏡(例如掃描式電子顯微鏡)之腔體空間有限且包含多種偵測器，導致多個元素頻譜偵測器與樣品間之立體角難以相同。因此，不同立體角配置或規格之元素頻譜偵測器所測得之元素頻譜可能產生偏移而無法進行累加。舉例而言，圖2所示之元素頻譜分別為不同立體角配置或規格之元素頻譜偵測器所測得之元素頻譜，其中相同元素所對應之能量位置產生偏移，其中波峰P1應對應於波峰P4；波峰P2應對應於波峰P5；波峰P3應對應於波峰P6。依據本發明之架構，可將不同立體角配置，甚至不同規格之一元素頻譜偵測器13a所測得之元素頻譜之波峰校正至另一元素頻譜偵測器13b所測得之元素頻譜 之對應波峰進行累加，如此即可獲得正確之元素頻譜，並可有效縮短元素頻譜的收集時間。

請參照圖3，本發明之一實施例之讀取器包含多個第一連接埠151a、151b、一主處理單元152、一次處理單元153以及一儲存單元154。於一實施例中，上述元件能夠以上匯流排150彼此電性連接。多個波形處理器14a、14b可經由分別第一連接埠151a、151b與讀取器15連接，以傳送計數訊號至讀取器15。主處理單元152可經由匯流排150與多個第一連接埠151a、151b電性連接。主處理單元152可產生一控制指令並輸出至波形處理器14a、14b，以控制波形處理器14a、14b，例如控制波形處理器14a、14b是否傳送資料至讀取器15。次處理單元153亦經由匯流排150與多個第一連接埠151a、151b電性連接。次處理單元153用以自波形處理器14a、14b接收多個計數訊號，並將接收到之多個計數訊號進行校正以及累加以獲得元素頻譜。所獲得之元素頻譜可先儲存於儲存單元154，並在適當時機傳送至後端之電腦30。於一實施例中，次處理單元153包含一可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)1531以及一暫存器1532。暫存器1532用以儲存所接收的多個計數訊號。於一實施例中，暫存器1532可為一先進先出(First-In First-Out，FIFO)暫存器。。可程式化邏輯閘陣列1531與暫存器1532電性連接，用以接收、校正並累加多個計數訊號。

於一實施例中，本發明之讀取器15是以網路介面155與電腦30連接。讀取器15即可利用現有之網路架構傳輸所測得之元素頻譜至電腦30。舉例而言，請參照圖4，多個讀取器15、15a、15b可先以網路介面155連接至一區域網路之集線器40，電腦30與集線器40連接即可同時收集多個讀取器15、15a、15b所累加之元素頻譜。於一實施例中，請再參照圖3，讀取器15包含一第二連接埠156。讀取器15可經由第二連接埠156與另一讀取器15a電性連接，並進行通訊。請參照圖4，舉例而言，讀取器15、15a經由第二連接埠156來保持同步，以利連接至讀 取器15、15a之多個元素頻譜偵測器13a、13b、13c、13d所量測之元素頻譜進行校正以及累加。依據上述架構，單一電腦30可同時連接多個讀取器15、15a、15b，且每一讀取器15、15a、15b可同步運作，如此一來，元素頻譜偵測器之設置數量不會受到限制。

請參照圖1以及圖5，以說明本發明一實施例之擷取元素頻譜之方法。首先，以一帶電粒子束121轟擊一樣品20(S51)。接著，以多個元素頻譜偵測器13a、13b偵測經帶電粒子束121轟擊而自樣品20放射出之X光，以產生相對應之多個頻譜偵測訊號(S52)。最後，校正依據多個頻譜偵測訊號所產生之多個計數訊號並進行累加，以獲得樣品20之一元素頻譜(S53)。於一實施例中，本發明之擷取元素頻譜之方法包含偵測經帶電粒子束121轟擊而自樣品20放射出之背向散射帶電粒子122，以形成相對應之一掃描影像。較佳者，本發明之擷取元素頻譜之方法更包含將步驟S53所獲得之元素頻譜映射至掃描影像(S54)。本發明之擷取元素頻譜之方法之詳細說明如前所述，在此不再贅述。

綜合上述，本發明之電子顯微鏡以及擷取元素頻譜之方法，其是設置多個元素頻譜偵測器，並將元素頻譜偵測器所測得之訊號進行校正，以使不同立體角配置或規格之元素頻譜偵測器所測得之訊號可以正確累加，以大幅縮短元素頻譜的收集時間。

以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

11‧‧‧載台

12‧‧‧帶電粒子束產生器

121‧‧‧帶電粒子束

122‧‧‧背向散射帶電粒子

13a、13b‧‧‧元素頻譜偵測器

14a、14b‧‧‧波形處理器

15‧‧‧讀取器

16‧‧‧帶電粒子偵測器

20‧‧‧樣品

30‧‧‧電腦

Claims (17)

1. 一種電子顯微鏡，包含：一載台，其用以承載一樣品；一帶電粒子束產生器，其用以產生一帶電粒子束，以轟擊該樣品；多個元素頻譜偵測器，其用以偵測經該帶電粒子束轟擊而自該樣品放射出之X光，並輸出相對應之多個頻譜偵測訊號，其中該多個元素頻譜偵測器相對於該樣品之立體角或規格相異；以及一讀取器，其用以校正依據該多個頻譜偵測訊號所產生之多個計數訊號並進行累加，以獲得該樣品之一元素頻譜。
2. 如請求項1所述之電子顯微鏡，更包含：多個波形處理器，其分別與該多個元素頻譜偵測器電性連接，用以處理該多個頻譜偵測訊號，並輸出相對應之該多個計數訊號。
3. 如請求項1所述之電子顯微鏡，其中該讀取器包含：多個第一連接埠，其分別與該多個波形處理器電性連接；一主處理單元，其與該多個第一連接埠電性連接，用以產生一控制指令並輸出至該多個波形處理器；一次處理單元，其與該多個第一連接埠電性連接，其用以接收、校正並累加該多個計數訊號，並輸出該元素頻譜；以及一儲存單元，其與該次處理單元電性連接，用以儲存該元素頻譜。
4. 如請求項3所述之電子顯微鏡，其中該次處理單元包含：一暫存器，其用以儲存該多個計數訊號；以及 一可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)，其與該暫存器電性連接，用以接收、校正並累加該多個計數訊號，並輸出該元素頻譜。
5. 如請求項3所述之電子顯微鏡，其中該讀取器更包含：一網路介面，其用以與一電腦電性連接，以傳輸該元素頻譜至該電腦。
6. 如請求項3所述之電子顯微鏡，其中該讀取器更包含：一第二連接埠，其用以與另一該讀取器電性連接，其中彼此連接之該多個讀取器經由該第二連接埠保持同步。
7. 如請求項1所述之電子顯微鏡，更包含：一帶電粒子偵測器，其用以偵測經該帶電粒子束轟擊而自該樣品放射出之背向散射帶電粒子或二次帶電粒子，並輸出相對應之一帶電粒子偵測訊號，其中該帶電粒子偵測訊號用以形成相對應之一掃描影像。
8. 如請求項7所述之電子顯微鏡，其中該元素頻譜映射至該掃描影像。
9. 如請求項1所述之電子顯微鏡，其為一掃描式電子顯微鏡。
10. 一種讀取器，其與一電子顯微鏡配合以獲得一元素頻譜，其中該電子顯微鏡包含多個元素頻譜偵測器以及多個波形處理器，該讀取器包含：多個第一連接埠，其分別與該多個波形處理器電性連接，其中該多個波形處理器分別與該多個元素頻譜偵測器電性連接，用以處理該多個元素頻譜偵測器所輸出之多個頻譜偵測訊號，並輸出 相對應之多個計數訊號，其中該多個元素頻譜偵測器相對於一樣品之立體角或規格相異；一主處理單元，其與該多個第一連接埠電性連接，用以產生一控制指令並輸出至該多個波形處理器；一次處理單元，其與該多個第一連接埠電性連接，其用以接收、校正並累加該多個計數訊號，並輸出該元素頻譜；以及一儲存單元，其與該次處理單元電性連接，用以儲存該元素頻譜。
11. 如請求項10所述之讀取器，其中該次處理單元包含：一暫存器，其用以儲存該多個計數訊號；以及一可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)，其與該暫存器電性連接，用以接收、校正並累加該多個計數訊號，並輸出該元素頻譜。
12. 如請求項10所述之讀取器，更包含：一網路介面，其用以與一電腦電性連接，以傳輸該元素頻譜至該電腦。
13. 如請求項10所述之讀取器，更包含：一第二連接埠，其用以與另一該讀取器電性連接，其中彼此連接之該多個讀取器經由該第二連接埠保持同步。
14. 一種擷取元素頻譜之方法，包含：以一帶電粒子束轟擊一樣品；以多個元素頻譜偵測器偵測經該帶電粒子束轟擊而自該樣品放射出之X光，以產生相對應之多個頻譜偵測訊號，其中該多個元素頻譜偵測器相對於該樣品之立體角或規格相異；以及 校正依據該多個頻譜偵測訊號所產生之多個計數訊號並進行累加，以獲得該樣品之一元素頻譜。
15. 如請求項14所述之擷取元素頻譜之方法，更包含：以多個波形處理器處理該多個頻譜偵測訊號，以產生相對應之該多個計數訊號。
16. 如請求項14所述之擷取元素頻譜之方法，更包含：偵測經該帶電粒子束轟擊而自該樣品放射出之背向散射帶電粒子或二次帶電粒子，以形成相對應之一掃描影像。
17. 如請求項16所述之擷取元素頻譜之方法，更包含：將該元素頻譜映射至該掃描影像。