一种全自动化的扫描电子显微镜及其探测方法

摘要

本文提供了一种全自动化的扫描电子显微镜及其探测方法，所述扫描电子显微镜包括：由第一光学显微镜和平移台构成的光学导航系统，以及由电子源和电子光学镜筒构成的扫描电子显微镜装置，该光学导航系统还包括：位于所述第一光学显微镜下方且与所述平移台相连的、容纳待测样品进行光学探测的第一腔室；该扫描电子显微镜装置还包括：位于所述电子光学镜筒下方的、容纳待测样品进行扫描电子显微镜探测的第二腔室；所述第一腔室与第二腔室之间通过真空阀门水平连通或隔绝；所述第一腔室内设置有能将待测样品从第一腔室通过所述真空阀门移动到第二腔室的自动传送装置。本申请操作简单，可达到缩短样品探测时间，提高探测效率和精确度的目的。

权利要求

1.一种全自动化的扫描电子显微镜，包括由第一光学显微镜和三维移动的平移台构成的光学导航系统，以及由电子源和电子光学镜筒构成的扫描电子显微镜装置，其特征在于，所述光学导航系统还包括：位于所述第一光学显微镜下方且与所述平移台相连的、容纳待测样品进行光学探测的第一腔室；

所述扫描电子显微镜装置还包括：位于所述电子光学镜筒下方的、容纳待测样品进行扫描电子显微镜探测的第二腔室；

所述第一腔室与第二腔室之间通过真空阀门水平连通或隔绝；所述第一腔室内设置有能将待测样品从第一腔室通过所述真空阀门移动到所述第二腔室的自动传送装置；

其中，所述自动传送装置通过一竖直方向的转轴设置于所述第一腔室内，所述自动传送装置包括：一端固定于所述转轴且围绕转轴在水平方向旋转的可伸缩传送臂，以及连接在所述可伸缩传送臂另一端的承载待测样品的样品托；或者，所述自动传送装置设置于所述第一腔室的换样门上。

2.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜，其特征在于，所述第一腔室的顶部设置有允许所述第一光学显微镜的照明光束和成像光束通过的第一观察窗；所述第一腔室的侧壁设有允许待测样品进出的换样门。

3.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜，其特征在于，所述第二腔室内设有承载并控制待测样品在水平、竖直方向移动的样品台；所述样品台上设有固定所述待测样品的自动固定装置。

4.根据权利要求3所述的扫描电子显微镜，其特征在于，所述第二腔室内还包括：设置于所述样品台上方的、实时测量待测样品表面高度的自动聚焦跟踪系统。

5.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜，其特征在于，所述自动传送装置设置于所述第一腔室的换样门上时，所述自动传送装置包括：固定于所述换样门上的可伸缩传送臂，以及连接在所述可伸缩传送臂另一端的承载待测样品的样品托。

6.根据权利要求2所述的扫描电子显微镜，其特征在于，所述第二腔室上方还设有第二光学显微镜，所述第二腔室顶部与所述第二光学显微镜在竖直方向相对的位置设有允许光束传输的第二观察窗。

7.一种全自动化的扫描电子显微镜的探测方法，其特征在于，所述方法包括：采用光学导航系统对待测样品进行光学探测，获得待测样品表面的整体导航图；

通过自动传送装置将第一腔室内的待测样品通过真空阀门传送到第二腔室；所述自动传送装置通过一竖直方向的转轴设置于所述第一腔室内，所述自动传送装置包括：一端固定于所述转轴且围绕转轴在水平方向旋转的可伸缩传送臂，以及连接在所述可伸缩传送臂另一端的承载待测样品的样品托；或者，所述自动传送装置设置于所述第一腔室的换样门上；

基于所述待测样品表面的整体导航图，定位在待测样品的指定位置，并采用扫描电子显微镜装置对所述待测样品的指定位置进行扫描电子显微镜探测，获得待测样品所述指定位置处的信息。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对待测样品进行光学探测的同时，该方法还包括：将所述第一腔室和第二腔室抽至真空状态。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对待测样品进行光学探测之前，该方法还包括：通过所述第一腔室的换样门将所述待测样品放置于所述第一腔室内，以进行所述光学探测。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通过自动传送装置将第一腔室内的待测样品通过真空阀门传送到第二腔室，包括：所述自动传送装置通过平移、或通过平移和旋转将待测样品通过打开的真空阀门移动到第二腔室；所述第二腔室内的样品台移动到所述自动传送装置的样品托下方，顶起所述待测样品，并通过样品台上的自动固定装置固定所述待测样品。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对所述待测样品的指定位置进行扫描电子显微镜探测时，该方法还包括：通过自动聚焦跟踪系统实时测量待测样品表面高度，基于测量结果调节所述第二腔室内的样品台高度，使电子束实时聚焦在待测样品表面。

12.根据权利要求7-11任一项所述的方法，其特征在于，所述第一腔室的顶部设置有允许第一光学显微镜的照明光束和成像光束通过的第一观察窗；相应的，所述将第一腔室内的待测样品通过真空阀门传送到第二腔室之后，且在进行扫描电子显微镜探测之前，该方法还包括：利用第二腔室上方的第二光学显微镜，通过第二腔室顶部的第二观察窗检查待测样品的在样品台上的放置位置是否准确。

说明书

一种全自动化的扫描电子显微镜及其探测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及扫描电子显微镜技术领域，尤其涉及一种全自动化的扫描电子显微镜及其探测方法。

背景技术

[0002] 传统的光学系统对物体进行观测具有操作简单、方便的特点，且样品的制备简单，不需要高真空等严格的观测条件，因此常用于对物体进行快速显微观测。由于传统的光学系统分辨率低，在对物体进行高分辨率的探测时受到限制。在观察微观物体方面，扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)以其分辨率高，景深大等特点受到广泛应用。

[0003] 由于传统的扫描电子显微镜观测物体细微信息时，需要很高的放大倍数，因此，视场范围较小，对待测位置定位困难。通常，需要借助大视场条件下获得的图像来定位样品待测位置。而扫描电子显微镜在大视场探测时，视场边缘位置产生的畸变很大，不能真实反映样品的表面形貌，因此，通过大视场下获得的扫描电子显微镜图像来定位样品待测位置时，往往定位不准确。光学系统的分辨率最高为200nm，大视场观测时光学系统的畸变远小于扫描电子显微镜产生的畸变，因此，利用光学系统与扫描电子显微镜的结合使用来对物体进行探测：先使用光学系统寻找目标位置，再使用扫描电子显微镜进行更高分辨率的观测，该方法是解决这一问题行之有效的方法。

[0004] 联合了光学系统的扫描电子显微镜系统是大型、复杂的仪器装置。使用过程中需要将扫描电子显微镜的样品腔室抽至一定的真空值，这一过程需要耗费很长时间；而且对于使用者来说，将样品手动地从光学系统探测区域传送到扫描电子显微镜探测区域时，即便是专业技术操作人员也很难保证对样品进行精准移动、定位。为保证较高的工作效率和精确度，传统的手工操作远远不能满足需求，这极大限制了联合了光学系统的扫描电子显微镜系统地使用。

[0005] 因此，需要一种可以全自动化地实现从光学系统探测到扫描电子显微镜探测的系统，从而弥补手动操作带来的不便，缩短探测时间，简化操作，提高探测效率和精确度。

发明内容

[0006] 有鉴于此，本发明实施例期望提供一种全自动化的扫描电子显微镜及其探测方法，其操作简单，可达到缩短样品探测时间，提高探测效率和精确度的目的。

[0007] 为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

[0008] 本发明提供了一种全自动化的扫描电子显微镜，包括由第一光学显微镜和平移台构成的光学导航系统，以及由电子源和电子光学镜筒构成的扫描电子显微镜装置，[0009] 所述光学导航系统还包括：位于所述第一光学显微镜下方且与所述平移台相连的、容纳待测样品进行光学探测的第一腔室；

[0010] 所述扫描电子显微镜装置还包括：位于所述电子光学镜筒下方的、容纳待测样品进行扫描电子显微镜探测的第二腔室；

[0011] 所述第一腔室与第二腔室之间通过真空阀门水平连通或隔绝；所述第一腔室内设置有能将待测样品从第一腔室通过所述真空阀门移动到所述第二腔室的自动传送装置。

[0012] 其中，所述第一腔室的顶部设置有允许所述第一光学显微镜的照明光束和成像光束通过的第一观察窗；所述第一腔室的侧壁设有允许待测样品进出的换样门。

[0013] 其中，所述第二腔室内设有承载并控制待测样品在水平、竖直方向移动的样品台；所述样品台上设有固定所述待测样品的自动固定装置。

[0014] 本发明实施例中，所述第二腔室内还包括：设置于所述样品台上方的、实时测量待测样品表面高度的自动聚焦跟踪系统。

[0015] 本发明实施例中，所述自动传送装置设置于所述第一腔室的换样门上。

[0016] 其中，所述自动传送装置包括：固定于所述换样门上的第一可伸缩传送臂，以及连接在所述第一可伸缩传送臂另一端的承载待测样品的第一样品托。

[0017] 本发明实施例中，所述自动传送装置通过一竖直方向的转轴设置于所述第一腔室内。

[0018] 其中，所述自动传送装置包括：一端固定于所述转轴且围绕转轴在水平方向旋转的第二可伸缩传送臂，以及连接在所述第二可伸缩传送臂另一端的承载待测样品的第二样品托。

[0019] 上述方案中，所述第二腔室上方还设有第二光学显微镜，所述第二腔室顶部与所述第二光学显微镜在竖直方向相对的位置设有允许光束传输的第二观察窗。

[0020] 本发明实施例还提供了一种全自动化的扫描电子显微镜的探测方法，所述方法包括：

[0021] 采用光学导航系统对待测样品进行光学探测，获得待测样品表面的整体导航图；

[0022] 通过自动传送装置将第一腔室内的待测样品通过真空阀门传送到第二腔室；

[0023] 基于所述待测样品表面的整体导航图，定位在待测样品的指定位置，并采用扫描电子显微镜装置对所述待测样品的指定位置进行扫描电子显微镜探测，获得待测样品所述指定位置处的信息。

[0024] 其中，所述对待测样品进行光学探测的同时，该方法还包括：

[0025] 将所述第一腔室和第二腔室抽至真空状态。

[0026] 其中，所述对待测样品进行光学探测之前，该方法还包括：

[0027] 通过所述第一腔室的换样门将所述待测样品放置于所述第一腔室内，以进行所述光学探测。

[0028] 其中，所述通过自动传送装置将第一腔室内的待测样品通过真空阀门移动到第二腔室，包括：

[0029] 所述自动传送装置通过平移、或通过平移和旋转将待测样品通过打开的真空阀门移动到第二腔室；所述第二腔室内的样品台移动到所述自动传送装置的样品托下方，顶起所述待测样品，并通过样品台上的自动固定装置固定所述待测样品。

[0030] 本发明实施例中，所述对所述待测样品的指定位置进行扫描电子显微镜探测时，该方法还包括：

[0031] 通过自动聚焦跟踪系统实时测量待测样品表面高度，基于该测量结果调节所述第二腔室内的样品台高度，使电子束实时聚焦在待测样品表面。

[0032] 上述方案中，所述将待测样品移动到第二腔室之后，且在进行扫描电子显微镜探测之前，该方法还包括：

[0033] 利用第二腔室上方的第二光学显微镜，通过第二腔室顶部的第二观察窗检查待测样品的在样品台上的放置位置是否准确。

[0034] 本发明实施例提供的全自动化的扫描电子显微镜及其探测方法，由第一光学显微镜和平移台构成的光学导航系统对样品进行光学探测，获得样品表面导航图；由第一腔室中的自动传送装置和样品台上的自动固定装置快速、精准地完成送样过程；基于所述待测样品表面的整体导航图对样品指定待测位置精准定位，由自动聚焦跟踪系统测量样品表面高度，通过调节样品台高度以保证扫描电子显微镜电子束对样品的实时聚焦，从而，对所述待测样品的指定位置进行扫描电子显微镜探测，获得待测样品所述指定位置处的信息。整个移动过程不需手动操作，提高了探测效率和精确度。

[0035] 另外，第一腔室和第二腔室之间通过真空阀门连接，通过适当的控制真空阀门的打开和关闭，以尽可能的保证所述第二腔室的真空状态，缩短对第一腔室和第二腔室抽真空用时，从而缩短整个探测过程所用时间。

附图说明

[0036] 图1为本发明实施例所述全自动化的扫描电子显微镜的结构示意图一；

[0037] 图2为本发明实施例所述全自动化的扫描电子显微镜的结构示意图二；

[0038] 图3为本发明实施例所述自动传送装置的结构示意图一；

[0039] 图4为本发明实施例所述自动传送装置的结构示意图二；

[0040] 图5为本发明实施例所述全自动化的扫描电子显微镜的探测方法流程图。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图和实施例对本发明进行描述。

[0042] 与本发明无关的部分不再赘述，在整个说明书中相同的参考标记标明相同的元件。

[0043] 本发明实施例提供了一种全自动化的扫描电子显微镜，如图1所示，包括：由第一光学显微镜108和平移台113构成的光学导航系统120，以及由电子源101和电子光学镜筒103构成的扫描电子显微镜装置100，其中，

[0044] 所述光学导航系统120还包括：位于所述第一光学显微镜108下方且与所述平移台113相连的、容纳待测样品116进行光学探测的第一腔室109；所述扫描电子显微镜装置100还包括：位于所述电子光学镜筒103下方的、容纳待测样品116进行扫描电子显微镜探测的第二腔室106；所述第一腔室109与第二腔室106之间通过真空阀门107水平连通或隔绝；所述第一腔室109内设置有能将待测样品从第一腔室109通过所述真空阀门107传送到所述第二腔室106的自动传送装置115。

[0045] 如图1所示，所述第一腔室109的顶部设置有允许所述第一光学显微镜108的照明光束和成像光束通过的第一观察窗114；所述第一腔室109的侧壁设有允许待测样品116进出的换样门110。

[0046] 其中，所述第一光学显微镜108利用所述第一观察窗114作为光束传播通道，对所述待测样品116某一位置进行成像；所述平移台113，可以沿Z轴方向调节所述第一光学显微镜108，从而使所述第一光学显微镜108聚焦在所述待测样品116表面；也可以控制所述第一光学显微镜108在X轴和Y轴组成的平面内二维移动，从而获得所述待测样品116上每一位置的图像。

[0047] 所述扫描电子显微镜装置100，用于探测待测样品116表面指定位置信息。所述电子源101，用于产生电子束102，所述电子束102照射至放置在所述第二腔室106中样品台111上的待测样品116，实现对所述待测样品116的探测；

[0048] 所述电子光学镜筒103主要包括：偏转装置104，用于对所述电子束102进行偏转；聚焦装置105，用于对所述电子束102进行聚焦，其功能通常可由电磁透镜实现；

[0049] 所述第二腔室106主要包括：承载并控制待测样品在水平、竖直方向移动的样品台111，即：所述样品台111可沿Z轴方向升降，也可以在X轴和Y轴组成的平面内二维移动；所述样品台111上设有固定所述待测样品的自动固定装置112，用于将所述自动传送装置115传送过来的待测样品116自动固定到样品台111上，其可以选用静电吸盘；

[0050] 如图1所示，所述第二腔室106内还包括：设置于所述样品台111上方的自动聚焦跟踪系统118，用来实时测量待测样品116表面高度，可基于该测量结果调节样品台111的高度，使所述电子束实时聚焦在待测样品表面，电子束聚焦点为图1中117所示位置；如上文所述，真空阀门107，用做传送样品时的通道，也可以用来隔绝第一腔室109和第二腔室106，使其保持各自真空状态。

[0051] 本发明实施例提供了一种自动传送装置的结构，如图3所示，所述自动传送装置115位于所述第一腔室109的换样门上，用于将所述待测样品116自动传送到所述第二腔室
106内。主要包括：第一可伸缩传送臂318和第一样品托319；其中，

[0052] 所述第一可伸缩传送臂318的一端固定于所述换样门110上，通过伸、缩的动作实现对所述待测样品116的平移；

[0053] 所述第一样品托319，是连接在所述第一可伸缩传送臂318另一端的卡盘，用于承载所述待测样品116。

[0054] 本发明实施例还提供了另一种自动传送装置，如图4所示，所述自动传送装置115通过一竖直方向的转轴(图4中所述第二可伸缩传送臂418中垂直于第一腔室底部的竖直结构)设置于所述第一腔室109内，用于将所述待测样品116自动传送到所述第二腔室106内，主要包括：第二可伸缩传送臂418和第二样品托419；其中，

[0055] 所述第二可伸缩传送臂418，位于第一腔室中，可实现旋转和伸缩动作，通过伸、缩实现对所述待测样品116的平移，通过绕竖直方向的转轴在水平方向的旋转，将所述待测样品116由所述第一腔室109传送到所述第二腔室106；

[0056] 所述第二样品托419，是连接在所述第二可伸缩传送臂418另一端的卡盘，用于承载所述待测样品116。

[0057] 在以上实施例的基础上，本发明实施例还提供了另一种全自动化的扫描电子显微镜，如图2所示，在图1所示结构的基础上，增加了另一光学显微镜，即：第二光学显微镜200和第二观察窗201。

[0058] 所述第二光学显微镜200，位于所述第二腔室106上方，用于检查所述待测样品116在所述样品台111上的放置位置是否准确；

[0059] 所述第二观察窗201，位于所述第二腔室106顶部与第二光学显微镜200在竖直方向相对的位置，作为光束传输通道。

[0060] 下面对上述全自动化的扫描电子显微镜的探测方法进行简单介绍，如图5所示，所述方法包括：

[0061] 步骤501：采用光学导航系统120对待测样品进行光学探测，获得待测样品表面的整体导航图；

[0062] 具体的，光学导航系统120通过第一腔室109顶部的第一观察窗114作为光束传播通道，由第一光学显微镜108对待测样品116某一位置进行成像；平移台113承载着所述第一光学显微镜108在所述第一观察窗114上方的X轴和Y轴组成的平面内二维移动，从而获取所述待测样品表面每一位置的图像；然后，通过图像处理技术将以上获得的图像制作成样品表面的整体导航图。

[0063] 步骤502：自动传送装置115将第一腔室109内的待测样品通过真空阀门107传送到第二腔室106；包括：

[0064] 所述自动传送装置115通过平移、或通过平移和旋转将待测样品通过打开的真空阀门107传送到第二腔室106；所述第二腔室106内的样品台111移动到所述自动传送装置115的样品托下方，顶起所述待测样品，并通过样品台111上的自动固定装置112固定所述待测样品。

[0065] 具体的，该步骤主要需要以下四个操作：首先，由自动传送装置115中的第一可伸缩传送臂318或第二可伸缩传送臂418将承载所述待测样品的第一样品托319或第二样品托419传送到第二腔室106；然后，样品台111水平移动到所述第一样品托319或第二样品托419下方，升高所述样品台111，将所述第一样品托319或第二样品托419上的所述待测样品顶起；其次，通过所述样品台111上的自动固定装置112将所述待测样品固定到所述样品台111上；最后，撤回所述第一样品托319或第二样品托419至所述第一腔室109，关闭真空阀门
107。

[0066] 步骤503：基于所述待测样品表面的整体导航图，定位在待测样品的指定位置，并用扫描电子显微镜装置100对所述待测样品的指定位置进行扫描电子显微镜探测，获得待测样品所述指定位置处的信息。

[0067] 这里，所述扫描电子显微镜探测包括以下操作：使用光学导航系统120获得的所述整体导航图对所述待测样品指定待测位置进行识别、定位；还包括：通过自动聚焦跟踪系统118实时测量待测样品表面高度，基于该测量结果调节第二腔室内的样品台111高度，使所述电子束实时聚焦在待测样品表面；之后，使用经偏转、聚焦后的电子束102探测待测样品，获取待测样品表面指定位置的高放大倍率图像。

[0068] 为了缩短全自动化的扫描电子显微镜的探测所用时间，所述对待测样品进行光学探测的同时，该方法还包括：

[0069] 将所述第一腔室和第二腔室抽至真空状态。

[0070] 其中，所述对待测样品进行光学探测之前，该方法还包括：

[0071] 通过所述第一腔室的换样门110将所述待测样品放置于所述第一腔室内，以进行所述光学探测。需要说明的是，在打开所述换样门110的时候，所述真空阀门107处于关闭状态，以尽可能保证所述第二腔室的真空状态。

[0072] 上述方案中，所述将待测样品移动到第二腔室之后，且在进行扫描电子显微镜探测之前，该方法还包括：

[0073] 利用第二腔室上方的第二光学显微镜200，通过第二腔室顶部的第二观察窗201检查待测样品的在样品台上的放置位置是否准确。

[0074] 本发明实施例通过自动传送装置和自动固定装置快速、精准地完成了送样过程，将完成了光学探测的待测样品移动到扫描电子显微镜装置中进行后续的扫描电子显微镜探测，整个移动过程不需手动操作，提高了探测效率和精确度。

[0075] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。