专利名称：用于带电粒子显微术中的检测方法
技术领域：
本发明涉及利用带电粒子显微镜研究样本的方法，包括步骤
-提供带电粒子显微镜，具有粒子光柱；
-利用粒子光柱使带电粒子的成像射束对准样本；
-用成像射束照射样本，其结果引起输出辐射通量从样本发出；
-利用检测器检查所述输出辐射的至少一部分。
背景技术：
如遍及本文所使用的，随后的术语应当按以下被理解
术语“带电粒子”指的是电子或离子(通常为正离子，例如镓离子或氦离子)。术语“显微镜”指的是用于创建物体、特征或组分的放大图像的装置，该物体、特征或组分通常太小以至于不能用人肉眼观察到满意的细节。除了具有成像功能外，这种装置还可具有加工功能；例如，该装置可被用于通过从样本移除物质(“研磨”或“消融”)或对样本增加物质(“沉积”)来局部地修改样本。该成像功能和加工功能可由相同类型的带电粒子所提供，或可由不同类型的带电粒子所提供；例如，聚焦离子射束(FIB)显微镜可采用用于加工目的的(聚焦的)离子射束以及用于成像目的的电子射束(所谓的“双射束”显微镜)，或其可用相对高能的离子射束执行加工以及用相对低能的离子射束执行成像。在该解释的基础上，诸如以下的工具应当被认为落入到当前发明的范围之内电子显微镜、FIB装置，EBID和IBID装置(EBID为电子射束诱发沉积；IBID为离子射束诱发沉积)、临界尺寸(⑶)测量工具、光刻工具、小型双射束(SDB)等。术语“粒子光柱”指的是可被用于操纵带电粒子射束的静电和/或磁透镜的集合，例如，用于为带电粒子射束提供特定的聚焦或偏转，和/或减轻其中的一个或多个畸变。术语“输出辐射”包括由作为成像射束照射样本的结果的从样本发出的任何辐射。这种输出辐射实质上可以是粒子和/或光子。实例包括次级电子、反向散射电子、X射线、可见荧光，以及这些的组合。输出辐射可仅为通过样本透射或从样本反射的成像射束的一部分，或者输出辐射可由例如散射或电离作用所产生。术语“检测器”指的是在带电粒子显微镜中某处的至少一个检测器。可以有不同类型和/或在不同位置的若干个这种检测器，本发明旨在配备根据特定形式/功能的至少一个这种检测器。术语“电磁”应当被解释为包括电磁的各种表现。例如，“电磁”场实质上可以是静电的或磁的，或可涉及电和磁方面的混合。在随后，本发明将以实例的方式，通常在电子显微镜的特定上下文中被阐述。不过，这种简化只是意在清楚/说明性的目的，而不应当解释为限制。电子显微术是一种众所周知的技术，用于对微小物体成像。电子显微镜的基本类已经经过演变成为许多众所周知的装置种类，例如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和扫描透射电子显微镜(STEM)，也演变成为各种子种类，例如所谓的“双射束”工具(附加地采用离子“加工”射束，允许诸如离子射束研磨或离子射束诱发沉积的支持性活动)。在传统的电子显微镜中，在给定的成像时期期间，成像射束在延长的时间周期内是“开启”的。不过，电子显微镜也是可用的，其中成像在相对短的电子“闪光”和“突发”的基础上发生，这种方法在试图对例如移动样本或辐射敏感的标本成像时具有潜在的益处。在当今的电子显微镜(以及其它带电粒子显微镜)中，经常将采用了排空式光电倍增管(PMT)的检测器连同闪烁器一起使用。在这种结构中，从样本发出的输出电子朝向闪烁器移动并冲击闪烁器(其通常将被维持在相对于样本大约几kV量级的加速电位处)，因此引起了光子辐射的产生(即电磁辐射，例如可见光)，该光子辐射转而被指向(例如借助光导管)该PMT的光电放射阴极,该光子福射从该光电放射阴极触发了一个或多个光电子的射出。每个这种光电子横穿一系列高压倍增电极，每个高压倍增电极为每个撞击电子发射多个电子(级联效应)，使得极大增加数量的电子最终离开最后的倍增电极并冲击检测阳极，产生了可测量的电流或脉冲。阴极、倍增电极和阳极均位于排空的玻璃管中。该已知的检测器结构(通常指的是如Everhart-Thornley检测器)具有一定的缺点。例如，PMT的玻璃管必须是十分庞大的，看上去它必须在特定的共有结构中容纳多个电极,并且必须支持高的内部真空。这种庞大由于以下事实被加剧，即每个电极要求通过玻璃管的壁到该管的外部的电连接，在在该管的外部，电极通过电缆与高压源(通常在kV范围操作)连接。另外，在闪烁器和该PMT之间的光导管可能必须是十分长的(例如由于放置该PMT的空间约束)，并且这一般将导致某种程度的信号损失。此外，正是该PMT操作的原理导致了对冲击闪烁器的每个电子的相对大的最终电流；因此，在成像射束照射样本产生了来自样本的相对大的输出辐射通量的情况中，这可导致在该PMT的阳极处的过多电流。为减轻该影响，人们可试图以某种方式减弱对该PMT的输入，例如通过使采用的闪烁器不那么灵敏，而该动作一般会倾向于使检测器结构更进一步变得复杂。
发明内容
本发明的目的是解决这些问题。更具体的，本发明的目的是对以上所阐述的问题提供完全替代的检测情况。在此之后，本发明的目的是以这样的方式从根本上重新设计带电粒子显微镜的检测结构，以允许实现各种新类型的带电粒子显微镜。这些以及其它目的和效果被实现于如在首段中指定的方法中，其特征在于
-将所述检测器配备为包括与提供了可调电偏置的电源相连接的固态光电倍增器；
-调整所述偏置以便调整固态光电倍增器的增益值；
-匹配所述增益值与所述通量的大小，以便使得固态光电倍增器在其饱和阈值以下操作。“固态光电倍增器”的概念将在随后被更详细地阐明。在导致本发明的研究中，发明人认识到，基于排空式PMT的检测器的庞大是对当前期望开发更紧凑和/或创新类型的电子显微镜(以及其它类型的带电粒子显微镜)的瓶颈。因此发明人着手系统性工程项目来开发完全新类型的检测器以用于电子显微术中，目的是克服由该瓶颈所强加的表面上无法攻破的障碍。在一开始，发明人将他们的注意力转移到光电二极管(PD)上，其具有紧凑和仅需要相对低的操作电压的优点，并且具有比较廉价的附加优点。不过，ro的缺点是它们不具有显著的/满意的放大效果，使得它们相对地不适用于弱信号的检测。为克服该缺点，发明人考虑使用所谓的雪崩光电二极管(APD)，其采用电偏置来对给定的触发光子产生电子的“雪崩”。不过，尽管这些器件确实产生了放大效果，但在电子显微术中其被认为对于许多应用太薄弱。接着，发明人用盖革(Geiger) APD (或GAPD)做实验，盖革APD为以所谓的盖革模式操作的APD，由此采用的操作偏置大于有关的二极管的击穿电压，引起了对于给定触发光子的电子的击穿簇射(自持放电)。不过，正如弹弓在射击后需要回绕，GAH)在每次触发事件后需要“熄灭”和“再充电”，并且该过程要求了被称为器件的“恢复时间”或“死时间”的时间间隔，并且通常是在毫微秒范围。如果光子在该死时间期间撞击器件，则器件不能对其响应而产生需要的放电，其结果使所讨论的光子不会被检测到。因此，这种结构将不适宜于 检测相对高的光子通量。发明人接着假设如果人们使用了检测二极管阵列，则以上提到的死时间的不利效果能被避免，相关的争论是，在任何给定时间，在这种阵列中的一些二极管将经受它们的死时间，而其它将是准备好触发的；因此，一般而言，任何到达阵列的光子将始终被准备好并能够触发的至少一些二极管所遇到，使得这种光子将具有增加了的被检测到的概率。发明人认识到，为了提供最佳的放置通用性，这种阵列需要相对紧凑，并优选为集成(即芯片内)设备的形式。不过，在设法联系半导体制造厂来讨论这种集成设备的设计和制造之前，他们偶然发现，在高能粒子场物理实验(例如在CERN、Fermi实验室等进行的)中，研究员利用被称为多像素光子计数器(也以例如固态光电倍增器(SSPM)、硅光电倍增器(SiPM)、芯片内像素化APD阵列等名称被了解)的非常灵敏的脉冲计数设备捕捉到难以捕获并且奇异的亚原子粒子，该计数设备实质上为具有共享/公共检测电路的大约IO3-IO4数量APD的芯片内阵列，并且证明是在商业上可获得的，例如，来自MPPC 名下的在日本的Hamamatsu公司。还要注意的是，具有10到1000之间的APD的多像素光子计数器也是可获得的。自始认为的是，考虑到与电子显微工程师的需求相比非常不同的高能粒子物理研究员的需求，这种多像素光子计数器将无法在电子显微镜中提供满意的性能；不过，至少用它们着手进行一些研究实验被认为是有收获的实践。如所预料的，初步实验提示了多像素光子计数器不适合于作为电子显微术中的检测器使用。正是它们的名字“光子计数器”表明了它们意在处理非常低的检测通量，并且它们的确被发现甚至在例如在电子显微术中普遍发生的中等检测通量处是严重饱和的。不过，在偶然事件中，发明人发现，当测试多像素光子计数器在制造商所规定的规范下的偏置级别操作时，其展示了更加低的增益。该现象引起了发明人的兴趣，并且它们开始完整的一系列实验以进一步对其研究。最终，它们意外地观察到，当多像素光子计数器在规范之外的相对窄的电压带之内操作时，其增益以若干数量级，根据弱的“S型”响应曲线，以可再现的方式变化，而没有饱和效果；例如，对于具有74V以上的指定操作电压的特定MPPC样本，发现增益作为在69-73V范围内施加偏置的函数而经过了四个数量级进行平滑地变化。发明人抓住该认识并根据本发明，构思了将多像素光子计数器作为用于电子显微术的检测器(以及最终其它类型的带电粒子显微术)的成功实现。根据该实现，多像素光子计数器(即芯片内像素化的盖革模式雪崩光电二极管阵列、固态光电倍增器(SSPM)等)的操作偏置被仔细地调整以便对其赋予与特定检测情形相匹配的增益值；例如，对于在预期从样本发出低的输出辐射通量的情况下，可施加相对大的偏置到多像素光电计数器(因此给予其相对高的增益)，相反，在预期从样本发出较高的输出辐射通量的情况下，可通过将多像素光电计数器在相对低的偏置操作来使多像素光子计数器的增益被适当地“阻塞”。能基于偏置/增益标定曲线来确定施加到多像素光子计数器以便实现期望的增益的精确偏置能，该曲线在使用电子显微镜(或其它带电粒子显微镜)中的多像素光子计数器之前被绘制出。尽管实际上以这种方式使用的多像素光子计数器是在其制造商规定的规范之外操作，不过发明人已经观察到其一般展示出可接受的温度稳定性、信噪比(SNR)和再现性；尽管SNR倾向于显著地低于(噪声显著地大于)通常从在规范内操作的排空式PMT或从多像素光子计数器所实现的SNR，但这不倾向于在任何大程度上妨碍测量精度。依照本发明由发明人开发的新颖的检测器比排空式PMT (或用在带电粒子显微术中的其它传统类型的检测器)小很多，并且在更加低的电压操作。因此，其可以被放置和使用在(尤其是)基于排空式PMT的检测器的情况所不可能的位置中放置和不可能情形中使用，因此打开了通往新型带电粒子显微镜的完整阶梯(scala)之门。例如
在根据本发明的带电粒子显微镜中，因为新颖的检测器比排空式PMT更加紧凑，该检测器可极为接近正被研究的样本而被定位。这种结构的优点是其一般允许检测器更有效地获取到从样本发出的输出辐射。具体地，多像素光子计数器可非常接近于关联的闪烁器而被放置(临近样本被定位)，去除了在两者之间对相对长的光导管的需求，因此有助于削减号损失。根据当前发明的检测器可完全位于带电粒子显微镜的粒子光柱(物镜)之内。这种结构在基于排空式PMT的检测器的情况中迄今已经是困难的，主要是由于与排空式PMT相关联的大体积，但也由于与其相关联的电场。“透镜内”检测器结构具有允许了关于显微镜的所谓的“工作距离”的较大选择自由的优点；尤其是，人们可实现较短的工作距离并且因此降低了透镜畸变的影响(其随工作距离缩放)。伴随先前的实例，人们可将当前发明包括在所谓的“浸没透镜”中，即样本处于透镜的电或磁场中的结构。由于从这种样本发出的输出电子不能从透镜逃逸到外部检测器，检测器将必须改为位于透镜之内，并将必须能够满意地在电/磁场中操作。根据当前发明的检测器的布置与这些要求相适宜。如以上所阐述的，当被用于测量从样本发出的高输出辐射通量时，排空式PMT倾向于“过载”。然而，根据本发明的检测器，其根据预期的检测通量调整其增益，不承受该问题。本发明适宜于测量所谓的阴极射线发光(CL)的带电粒子显微术中的应用。由于根据本发明的检测器很紧凑，并由此能被接近于样本被放置，其提供了较大的孔径角以捕获CL光子。在根据本发明的带电粒子显微镜的给定的实施例中，检测器附加地包括闪烁器，在这种情况中，以上讨论的多像素光子计数器作为测量元件，并且闪烁器作为转换元件，用来将从样本发出的输出电子转换为随后撞击测量元件的光子。在可选的情况(例如测量CL辐射时)中，以上讨论的多像素光子计数器被用于直接、检测从样本发出的输出光子，其可以在不存在转换闪烁器中间物的情况下而被完成。
现在本发明将以示例性的实施例和示意性的附图为基础而被更详细地阐明，其中
图I示出了依据本发明的合成的基于多像素光子计数器的检测器的特定实施例的横截面图，该检测器能被用于带电粒子显微镜中；
图2示出了用于特定的多像素光子计数器的增益相对于偏置的图表，该图表通过利用作为当前发明的基础的理解而被得到，并且可根据当前发明在带电粒子显微镜中使用的检测器中利用；
图3呈现了根据当前发明的带电粒子显微镜的特定实施例的纵向横截面图，该特定情况为TEM ；
图4呈现了根据当前发明的另一个带电粒子显微镜的特定实施例的纵向横截面图，该特定情况为SEM ；
图5呈现了根据当前发明的又一个带电粒子显微镜的特定实施例的纵向横截面图，该特定情况为FIB工具；
在图中，相应的部分可使用相应的参考符号来表明。
具体实施例方式实施例I
多像素光子计数器是可从如日本的Hamamatsu光子KK的公司(例如)在商业上获得的。多像素光子计数器通常包括具有几百或几千个单个盖革-APD的2维阵列，集成在小芯片上。这样的芯片通常具有约为3X3mm2量级的水平尺寸。在一些情况中，这样的芯片可被安置在具有电连接导线的(金属、陶瓷或塑料的)罐中；不过，这样的罐不是必要的，并且“裸露的”多像素光子计数器也是在商业上可获得的。为理解这样的多像素光子计数器芯片的尺度，随后的对比是有益的。作为参考，具有约为2 ^量级的(典型的)直径和约为IOcm量级的(典型的)长度的排空式PMT (光电倍增管)将具有约为80cm3量级的体积。相比之下，如以上所提到的罐将通常具有约为Icm3或更小量级的体积，使其几乎是该排空式PMT的一百分之一。在另一方面，安装在薄的基片(例如玻璃片)上的“裸露的”多像素光子计数器芯片将通常具有大约为3 X 3 X lmm3=9mm3=0. 009cm3量级的体积，使其大约是排空式PMT的万分之一。该尺度差异允许了同排空式PMT (或其它类型的检测器，例如传统的固态检测器)相比在检测器尺寸上非常显著的减小，因此允许了基于多像素光子计数器的检测器被定位在对于排空式PMT (或其它已知检测器类型)过于狭窄的有限空间中。此外，由于多像素光子计数器如此小，并且还比现有技术的检测器更加便宜，因此一致地采用若干个该计数器成为可能，这相比于使用单一、庞大的检测器允许了更通用的检测可能性，例如，人们可通过整个这样的多像素光子计数器检测器“云”来包围样本，允许了从样本发出的输出辐射不仅被检测，还有角度地/有方向地被分辨。 值得一提的是，这样众多的检测器可被由完全分离的芯片构成，但也可被集成在一个管芯上，优选的具有在中间的孔用于将带电粒子射束传递至样本除了这些关于尺寸、成本和新颖的测量结构的优点之外，根据本发明的检测器具有进一步的优点由于多像素光子计数器由Aro所组成，其操作不在任何显著的程度上被其附近的磁场所妨碍。另一方面，因为(例如)排空式PMT的操作依赖于使用电极对之间产生的加速静电场，其功能可被显著大小的环境磁场所不利地影响。由于多像素光子计数器对电/磁场是相对不灵敏的，其可成功地被部署在排空式PMT所排除的位置上；例如，其可被定位在粒子光学透镜之内。发明人已经意外地示出，当多像素光子计数器以特定方式在制造商的规范之外操作时，其可成功地用于测量跨越大约数量为50的引入的辐射通量，而不被饱和效果所妨碍，并且具有满意的再现性和信噪比。为此，多像素光子计数器与提供可调电偏置的电源相连接，并且该偏置被改变以便调整多像素光子计数器的增益值。通过适当地选择所采用的偏置值，人们可将设备增益与要被测量的引入的辐射通量的(预期或观察的)大小相匹配，产生了多像素光子计数器在设备饱和阈值(即达到可接受的饱和级别)以下始终如一地操作的情况。通常，发明人发现以这种方式操作的多像素光子计数器的热敏度是可接受的。不过，在这样的程度上，在特定应用中，热敏度被认为是较为关键的问题，人们可始终采取以下步骤的一个或两者
-预防，由此人们努力将多像素光子计数器的温度保持得尽可能稳定；
-校正，由此多像素光子计数器的温度/在多像素光子计数器处的温度被连续地监测，并为此通过对施加的偏置值进行适当(微小)调整来补偿其中的任何改变。关于在带电粒子显微镜中多像素光子计数器作为检测器的新应用，应当注意以下内容
-根据本发明的多像素光子计数器可被用于直接测量引入的光子辐射，例如CL辐射；这样的测量不要求例如闪烁器的转换元件的中间物。-通过采用闪烁器将粒子通量(例如次级或反向散射电子，或离子)转换为光子，根据本发明的多像素光子计数器还可被用于间接测量引入的粒子辐射，该光子随后撞击多像素光子计数器。下一个实施例将专用于适合这种间接测量的特定结构。实施例2
图I示出了依据本发明的合成的基于多像素光子计数器的检测器的特定实施例的横截面图，该检测器能被用于带电粒子显微镜中。该图示出了经由光学透明材料的插入层5与闪烁器3分离的(裸露的)多像素光子计数器芯片1，例如，该光学透明材料为玻璃或合适类型的油脂。例如，闪烁器3可包括YAG (钇铝石榴石)晶体。插入(光导管)层5用来使闪烁器3的折射率与多像素光子计数器I (部分地)相匹配，并且还用于使它们彼此电隔离。使用中，多像素光子计数器I将在相对低的电压上操作，而闪烁器将通常维持在相对高的电位上(通常为kv的量级)。为防止电弧，夹层组件3、5、1部分地封装在模制的绝缘夹套7中，其可包括例如硅橡胶或环氧树脂的(真空兼容的)物质。该夹套7具有让闪烁器3的正面的实质部分暴露给引入的粒子辐射的形状/外形。如果期望，该闪烁器3暴露的正面(远离多像素光子计数器)可以是被稀薄地镀金属的，以便向多像素光 子计数器I反射在闪烁器3中产生的光子。还经常需要这种金属化来在(通常绝缘的)闪烁器上形成导电表面，否则会发生充电。在图中还示出了信号电缆9，其将输出信号从多像素光子计数器I运送到控制器(未描绘出)。实施例3
图2示出了用于多像素光子计数器的特定的实施例的增益相对于偏置的图表，该图表通过利用作为当前发明的基础的理解而被得到，并且可根据当前发明在带电粒子显微镜中应用的检测器中利用。在这种特定情况下，多像素光子计数器为S10931-25P类型/型号，可从日本的Hamamatsu光子KK公司得到，并且在3X 3mm2的管芯(芯片)区域中包含了具有14400个盖革-APD的2维阵列。对该特定的多像素光子计数器，制造商指定了约为74V的操作电压；不过，对其它多像素光子计数器，制造商可指定不同的操作电压(尤其取决于所讨论的在MPPC中的集成电路设计的细节)。在与本发明相关联的测试中，使所讨论的多像素光子计数器经受规范之外的操作电压。图2中的图表示出了意外的结果，由此，当多像素光子计数器在相对窄的子规范(sub-spec)的电压带操作时，根据弱的“S型”响应曲线，观察到其增益经过几个数量级以可再现方式变化，而没有饱和效果。发明人认为观察到的多像素光子计数器的行为可被解释如下。-在偏置/增益曲线中的不同位置，多像素光子计数器产生增益的机制在改变。-在偏置值彡74V处，设备处于标称光子计数模式，如制造商所开发的。-在其以下，例如在74至70V范围中，发动雪崩的可能性降低，雪崩具有较小的增益，并且恢复时间较短；因此，设备可在不饱和的情况下以较低的增益处理较高的引入辐射率。-在更低的偏置值处，例如70至40V，器件不再以盖革模式操作，而改为示出普通Aro特性无饱和效果，内部增益为 ο至loo (电子由次级产生而引起，而不是由击穿效果引起)。-在更加低的偏置值处，例如40至0V，没有内部增益。器件作为普通光电二极管，由此一个光子产生一个电子空穴对。在说明性的图表中，对描绘的数据点进行样条拟合。该拟合可随后用于预测要使用什么偏置值，以便最佳地将多像素光子计数器的增益设置为给定值，允许其在不超过可接受的饱和级别的情况下处理测量的或预期的引入辐射通量。如果这样的引入通量被认为是非常微弱的，则多像素光子计数器可被用在(或接近于)制造商规定的操作电压，使得其表现为脉冲计数器；另一方面，如果引入通量被认为是非常强的，则多像素光子计数器可在非常低的偏置下操作，使其退出盖革模式并进入Aro或ro模式，如果需要的话(见前一段)。实施例4
图3反映了根据当前发明的TEM的特定实施例的纵向横截面图。描绘的TEM包括真空外壳120，该真空外壳120通过连接到真空泵122的管121来被排空。以电子枪101形式的粒子源产生沿粒子光轴(成像轴)100的电子射束。电子源101可以是例如场发射枪、肖特基(Schottky)发射器、或热电子发射器。由源101产生的电子被加速到通常80-300keV的可调能量(尽管TEM使用具有例如50_500keV的可调能量的电子也是已知的)。加速的电子射束随后穿过在钼金片中提供的射束限制孔径/隔膜103。为了将电子射束适当地对准孔径103，射束可借助偏转器102来被偏移或倾斜，使得射束的中心部分沿轴100穿过孔径103。使用聚光系统的磁透镜104和(一部分)物镜105 —起来实现射束的聚焦。偏转器(未描绘出)被用于将射束在样本111上的感兴趣区域上居中，和/或在样本的表面上扫描射束。样本111被样本夹持器112以这样的方式所夹持，使得其可位于物镜(粒子光柱)105的物平面中。样本夹持器112可以 是用于在容纳平面上夹持静态样本的传统类型的样本夹持器；可选地，样本夹持器112可以是特殊类型，例如，在包含液体水流或其它溶液的流动平面/通道中容纳移动样本的类型。样本111被包括透镜106的投影系统成像到荧光屏107上，并且可通过窗口 108被观看。形成在屏幕上的放大图像通常具有在IO3x-IO6x范围的放大率，并且可示出例如小到
O.Inm或更小的细节。荧光屏107连接到铰链109，并且可被收起/折叠起来使得由投影系统106所形成的图像冲击主检测器151。要注意的是，在这种情况下，投影系统106可能需要被重聚焦以便在主检测器151上形成图像而不是在荧光屏107上。进一步要注意的是，投影系统106 —般将在中间像平面(未描绘出)处附加地形成中间图像。主检测器151可包括例如用于检测撞击电子的电荷耦合器件(CXD)。作为对电子检测的替换，任何人也可使用检测光线的CCD，比如由接合到CCD或通过光纤(例如)连接到那里的钇铝石榴石(YAG)晶体(例如)所发出的光线。要注意的是，这种闪烁器可以是单个晶体，但也可由具有以粉状形式相接合的闪烁器的屏幕所组成。在这种间接检测器中，当电子击中YAG晶体时，YAG晶体发射多个光子，并且这些光子的一部分被CCD相机所检测到；在直接检测器中，电子撞击CCD的半导体芯片并产生电子/空穴对，由此形成要被CCD芯片所检测的电荷。由于透镜106所产生的失真，在荧光屏107上以及在主检测器151上所形成的图像一般是畸变的。为校正这种失真，使用多极152，其每一个可以是磁多极、静电多极或其组合。在当前情况下，示出了多极的三个级/组；不过，更少数量也是足够的，或者在其它情况下，为校正具有更大准确度的失真，更多数量的多极可能是必要的。应当注意的是，图3仅示出了典型TEM的示意性的再现，并且实际上TEM —般将包括更多的偏转器、孔等。同样，TEM具有用于校正物镜105的畸变的校正器是已知的，该校正器采用多极和圆透镜。在成像射束撞击样本111之处，以次级电子、可见(荧光)光，X射线等形式产生次级辐射。该次级辐射的检测和分析可提供关于样本111的有用信息。不过，如在图3中明显的，样本111的附近是相当杂乱的，使其难以在此放置传统的检测器。由于根据当前发明的检测器是非常小的，并且还对电/磁场是相对不灵敏的，因此当前发明避免了该问题。因此，图3示出了根据本发明的补充检测器130，其被配备为集成的多像素光子计数器，连接到可变电压源132并且被偏置，以便保证其在可接受的(次阈值)饱和级别操作。如在此描绘的，检测器130位于样本111的远离枪101的侧面。不过，这是设计选择的问题，并且检测器130可替代地位于面对枪101的样本111的侧面。此外，如果期望，这种发明的检测器130的小尺寸允许了在样本111的附近放置多个该检测器；在这种情况下，例如，人们可以指派不同检测器130来研究不同类型的次级辐射，和/或人们可有角度地/有方向地分辨检测到的次级辐射。又一个可能性将是更直接地在样本111的上面和/或下面定位一个或多个检测器130，例如，在物镜105和/或投影系统106的限制之内(或至少非常接近)放置它们。根据本发明的一个或多个检测器130也可被用于检测从样本111发出的其它类型的辐射，例如反向散射电子。如以上所阐述的，根据本发明的检测器130可被用于直接测量光子辐射，或间接测量粒子辐射(借助中间闪烁器)。实施例5
图4呈现了根据当前发明的SEM的特定实施例的纵向横截面图。在图4中，SEM 400装备了电子源412和SEM柱(粒子光柱)402。该SEM柱402使用电磁透镜414、416来使电子聚焦到样本410上，并且还采用偏转单元418，最终产生了电子射束(成像射束)404。该SEM柱402被安装到真空腔406上，该真空腔包括用于固定样本410的样本台408并且该真空腔借助于真空泵(未描绘出)被排空。可使用电压源422将样本台408，或至少样本410设置到相对于接地的电位。该装置进一步配备了检测器420，用于检测从样本410发出的次级电子以作为其被成像射束流404照射的结果。在现有技术的SEM中，人们通常采取使用庞大的Everhart-Thornley检测器来完成这样的任务。不过，根据本发明，检测器420可被有利地配备为被适当偏置的多像素光子计数器，或配备为在样本410周围分布的布置中所放置的多个多像素光子计数器。如果期望，发明的检测器420是足够小的以被放置在SEM柱402之内，和/或与样本410极为接近。可使用微型闪烁器与该/每个多像素光子计数器连接，以便影响引入的次级电子到光子辐射的转换。除了检测器420之外，该特定结构(可选地)包括传感器430，其在此采取了板式形式，具有成像射束404可穿过的中心孔径432。该装置进一步包括控制器424，用于控制尤其是偏转单元418、透镜414，416、检测器420和传感器430，并在显示单元426上显示得到的信息。作为成像射束404在样本410上扫描的结果，从样本410发出输出辐射，例如次级电子和反向散射电子。在所描绘的结构中，次级电子被检测器420所捕获并登记，而反向散射的电子被传感器430所检测。由于发出的输出辐射是位置敏感的(由于该扫描运动)，因此得到(检测/感测)的信息也是位置依赖的。来自检测器420/传感器430的信号，单独地或联合地，被控制器处理并被显示。这样的处理可包括组合、整合、减除、假彩色化、边缘增强、以及其它本领域技术人员已知的处理。此外，例如用于粒子分析中的自动识别处理，可被包括在这样的处理中。在可替换的布置中，电压源422可被用于相对于粒子光柱402施加电位到样本410，从那里次级电子将朝向传感器430被加速，具有待传感器430检测的充分的能量；在这种情况下，检测器420可被构成为冗余的。可替换地，通过将传感器430替换为一个或多个发明的检测器420，这些检测器420可承担检测反向散射电子的任务，其中可避免使用专用的传感器430。如果需要，人们可在样本410处实现控制的环境(除真空外)。例如，人们可创建若干毫巴(mbar)的压力，如在所谓的环境SEM (ESEM)中所使用的，和/或人们可特意让例如蚀刻或前驱气体的气体进入到样本410的附近。应当注意，如果期望，将相似的考虑应用到、TEM的情况，例如，如以上在实施例4中所阐述的，由此可实现所谓的ETEM (环境TEM)。实施例6
图5呈现了根据当前发明的FIB显微镜的特定实施例的纵向横截面图。图5示出了 FIB工具500，其包括真空腔502、用于沿光轴514产生离子射束的离子源512、以及FIB柱(粒子光柱)510。该FIB柱包括电磁(例如静电)透镜516a和516b，和偏转器518，并且其用来产生聚焦的离子射束(成像射束)508。工件(样本)504被放置在工件夹持器(样本夹持器)506上。工件夹持器506被配备成能够相对于由FIB柱502产生的聚焦的离子射束508来放置工件504。FIB装置500进一步装备了气体注入系统(GIS)520。该GIS 520包括毛细管522和包含气体(或用于产生气体的前驱物质)的容器524，气体可通过该毛细管被引导到工件504。阀门526可调节引导到工件504的气体量。例如，这样的气体可被用于在工件504上沉积(保护)层，或用于增强在工件504上执行的研磨操作。如果需要，可采用多重GIS设备520，以便根据选择/要求来提供多个气体。FIB工具500进一步装备了检测器530，如在此所配备的，其用于检测从样本504发出的次级辐射以作为其被离子射束508照射的结果。来自检测器530的信号被供给到控制器532。该控制器532装备了用于存储从该信号得到的数据的计算机存储器。控制器532还控制FIB的其它部分，例如透镜516a/b、偏转器518、工件夹持器506、GIS 520的流量以 及用来使腔502排空的真空泵(未描绘出)。在任何情况下，控制器532被配备为在工件504上准确放置离子射束508 ;如果期望，控制器532可在监视器524上形成检测/处理数据的图像。与以上的实施例类似，该检测器530的任务可根据本发明由一个或多个被适当偏置的多像素光子计数器来完成，根据要被检测的辐射的性质，该多像素光子计数器可连同一个或多个微型闪烁器被部署。
权利要求
1.ー种利用带电粒子显微镜(400，500)研究样本的方法，包括步骤 -提供带电粒子显微镜，具有粒子光柱(402，510)； -利用粒子光柱使带电粒子的成像射束对准样本； -用成像射束照射样本，其结果引起输出辐射通量从样本发出； -利用检测器检查所述输出辐射的至少一部分， 其特征在于 -将所述检测器配备为包括与提供可调电偏置的电源相连接的固态光电倍増器(I); -调整所述偏置以便调整固态光电倍増器的增益值； -匹配所述增益值与所述通量的大小，以便使固态光电倍増器在其饱和阈值以下操作。
2.根据权利要求I的方法，其中 -输出辐射的所述一部分包括粒子辐射； -采用闪烁器(3)将至少一些所述粒子辐射转换为光子辐射； -使所述光子辐射指向所述固态光电倍增器(I)。
3.根据权利要求2的方法，其中 -闪烁器(3)和固态光电倍増器(I)以层叠结构在其间插进插入的光学透明分离器层(5)； -层叠结构被部分地封装在电绝缘材料的夹套(7)中，让闪烁器的至少一部分被暴露。
4.根据权利要求I至3任意ー项的方法，其中检测器是包括多个固态光电倍增器的空间分布式结构，所述多个固态光电倍増器放置在成像射束与样本的交点周围。
5.根据权利要求I至4任意ー项的方法，其中检测器(130，420，530)位于粒子光柱(402，510)之内。
6.根据权利要求5的方法,其中配备样本夹持器以便于在粒子光柱的电磁场之内放置样本。
7.根据前述权利要求任意ー项的方法，其中所述带电粒子显微镜从包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描透射电子显微镜、聚焦离子射束工具、电子射束诱发沉积工具、离子射束诱发沉积工具、双射束带电粒子显微镜、临界尺寸显微镜、光刻工具、以及其混合的组中选择。
8.根据前述权利要求任意ー项的方法，其中所述检测器从包括 -固态光电倍增器； -具有共享检测电路的芯片内像素化的雪崩光电ニ极管的阵列； -多像素光子计数器， 及其组合的组中选择。
9.一种带电粒子显微镜(400，500),被构造和布置为执行如权利要求I至8任意ー项中所要求保护的方法。
全文摘要
一种利用带电粒子显微镜研究样本的方法，包括步骤-提供带电粒子显微镜，具有粒子光柱；-利用粒子光柱使带电粒子的成像射束对准样本；-用成像射束照射样本，其结果引起输出辐射通量从样本发出；-利用检测器检查所述输出辐射的至少一部分，该方法包括以下附加步骤-将所述检测器配备为包括与提供可调电偏置的电源相连接的固态光电倍增器；-调整所述偏置以便调整固态光电倍增器的增益值；-匹配所述增益值与所述通量的大小以便使得固态光电倍增器在其饱和阈值以下操作。固态光电倍增器有时也指的是硅光电倍增器(SiPM)、芯片内像素化的雪崩光电二极管阵列(具有共享/公共检测电路)、MPPC 等。
文档编号H01J37/26GK102637571SQ20121003234
公开日2012年8月15日 申请日期2012年2月14日 优先权日2011年2月14日
发明者M.昂科夫斯基, P.哈拉文卡 申请人:Fei公司