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电子束显微镜

阅读：865发布：2020-05-13

IPRDB可以提供电子束显微镜专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种电子束显微镜，包括用于检测反向散射电子的能量敏感检测器(47)、以及用于处理检测器(47)的检测信号(67)的信号处理器(61)。该信号处理器包括模拟放大器(63)、窗口比较器(83)，该窗口比较器具有信号输入端(84)，该信号输入端连接至该模拟放大器的输出端(79)。在该信号处理器的输出端处(95)产生的信号是基于在该窗口比较器的输出端(85)处提供的信号产生的。该窗口比较器被配置为只有提供给其信号输入端的放大信号(81)小于或等于上限阈值且大于或等于下限阈值时，才输出预定信号(90)。，下面是电子束显微镜专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种电子束显微镜，包括：

电子束光学器件(11，19)，这些电子束光学器件被配置用于将聚焦电子束(13)引导到样品(23)上；

检测器(47)，该检测器被配置用于产生与从该样品(23)出射的、并入射在该检测器(47)上的反向散射电子相对应的检测信号(67)；以及信号处理器(61)，该信号处理器具有输出端(95)，并且被配置用于处理由该检测器(47)产生的这些检测信号(67)并且基于对这些检测信号(67)的处理在其输出端(95)处产生信号；

其中，该检测器(47)是产生这些检测信号(67)的能量敏感检测器，使得相应的检测信号的强度随着对应的所检测的反向散射电子的动能而增大；

其中，该信号处理器(61)包括：模拟放大器(63)，该模拟放大器具有信号输入端(65)，该信号输入端连接至该检测器(47)的信号输出端(66)；窗口比较器(83)，该窗口比较器具有信号输入端(84)，该信号输入端连接至该模拟放大器(63)的输出端(79)，其中，在该信号处理器(61)的输出端(95)产生的信号是基于在该窗口比较器(83)的输出端(85)处提供的信号产生的；

其中，该模拟放大器(63)被配置用于在其输出端(79)处输出与提供给其信号输入端(65)的检测信号(67)相对应的放大信号(81)；

其中，该窗口比较器(83)被配置为只有提供给其信号输入端(84)的放大信号(81)小于或等于上限阈值且大于或等于下限阈值时，才在其输出端(85)处输出预定信号(90)。

2.如权利要求1所述的电子束显微镜，其中，该窗口比较器(83)具有用于将该上限阈值设定为可选值的上限阈值输入端(91)、以及用于将该下限阈值设定为可选值的下限阈值输入端(92)。

3.如权利要求1或2所述的电子束显微镜，其中，该信号处理器(61)进一步包括计数器(91)，该计数器具有信号输入端(92)，该信号输入端连接至该窗口比较器(83)的输出端(85)；

其中，该计数器(91)具有输出端(93)，并且被配置用于在其输出端(93)处产生表示随着提供给其信号输入端(92)的预定信号(90)的每次出现而增大的数的信号。

4.如权利要求3所述的电子束显微镜，其中，在该信号处理器的输出端处产生的信号是基于在该计数器的输入端处提供的信号产生的。

5.如权利要求3或4所述的电子束显微镜，其中，该信号处理器(61)具有复位输入端(94)，其中，该计数器(91)被配置为如果预定信号施加至其复位输入端(94)，则将在其输出端(95)处产生的信号重置为预定值。

6.如权利要求3至5之一所述的电子束显微镜，其中，在该计数器的输出端处产生的信号是数字信号。

7.如权利要求1至6之一所述的电子束显微镜，其中，该信号处理器(61a)进一步包括电阻(96)，该电阻将该窗口比较器(83a)的输出端(85a)连接至地面(97)。

8.如权利要求1至7之一所述的电子束显微镜，其中，在该模拟放大器的输出端处产生的信号是模拟信号。

9.如权利要求1至8之一所述的电子束显微镜，其中，该检测器是硅漂移二极管(SDD)、PIN二极管、肖特基二极管、以及雪崩二极管之一。

10.如权利要求1至9之一所述的电子束显微镜，进一步包括控制器，该控制器被配置用于控制电子光学器件，以便将该聚焦电子束引导至该样品上的多个不同的位置，用于将该聚焦电子束维持在该多个位置中的每一个位置处预定驻留时间，并且用于存储与该多个位置中的每一个位置相关联的数据，该数据表示当该聚焦电子束维持在该样品上的相同位置时该计数器的输出信号的变化。

说明书全文

电子束显微镜

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电子束显微镜，该电子束显微镜具有用于检测反向散射电子的能量敏感检测器。

背景技术

[0002] 电子束显微镜将电子束引导到样品上。束的电子与样品相互作用并且产生由能量敏感检测器检测的辐射，比如X射线光子和反向散射电子。能量敏感检测器产生检测信号，这些检测信号具有与所检测的辐射的能量相对应的信号强度。通过信号处理器处理这些检测信号以分析数字信号的信号高度，该信号处理器典型地包括模拟放大器、模数转换器、以及后续电子器件。后续电子器件限制可以检测的计数率。

[0003] 能量敏感检测器成功地用于执行能量色散X射线谱(EDX)，在该能量色散X射线谱中，通过电子撞击在样品上产生的X射线光子依赖于能量而被检测，其中，比如薄膜等合适的窗口防止反向散射电子到达检测器。如果不使用窗口，检测器也能够检测反向散射电子，并且反向散射电子将主要促成检测信号，因为所产生的反向散射电子的数量远高于所产生的X射线光子的数量。然而，在这样的操作模式下，电子束电流被限制在几微微安培，因为后续电子器件限制可以处理的最大计数率。

[0004] US 2013/0099114 A1披露了一种电子束显微镜，该电子束显微镜具有硅漂移二极管(SDD)作为其能量敏感检测器。检测器可以以两种不同的模式操作：“脉冲高度测量模式”，在该模式下，可以分析信号强度并且该模式用于在窗口阻挡反向散射电子入射在检测器上时检测X射线光子；以及“电流测量模式”，该模式用于在较高的束电流下检测反向散射电子，并且在该模式下，检测器的输出信号取决于检测器中每时间单位产生的电子/空穴对的数量。

[0005] 虽然此常规电子束显微镜的“电流测量模式”允许使用硅漂移二极管在较高的束电流下检测反向散射电子，但检测器不能对所检测的反向散射电子进行能量分析。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种电子束显微镜，该电子束显微镜具有能量敏感检测器，该能量敏感检测器允许对与在较高束电流下所检测的反向散射电子相对应的检测信号进行能量相关的处理。

[0007] 根据本发明的实施例，电子束显微镜包括：电子束光学器件，这些电子束光学器件被配置用于将聚焦电子束引导到样品上；检测器，该检测器被配置用于产生与从该样品出射的、并入射在该检测器上的反向散射电子相对应的检测信号；以及信号处理器，该信号处理器具有输出端，并且被配置用于处理由该检测器产生的检测信号并且基于对这些检测信号的处理在其输出端处产生信号。该检测器是产生这些检测信号的能量敏感检测器，使得相应的检测信号的强度随着对应的所检测的反向散射电子的动能而增大。

[0008] 根据示例性实施例，该信号处理器包括：模拟放大器，该模拟放大器具有信号输入端，该信号输入端连接至该检测器的信号输出端；以及窗口比较器，该窗口比较器具有信号输入端，该信号输入端连接至该模拟放大器的输出端。在该信号处理器的输出端产生的信号可以是基于在该窗口比较器的输出端处提供的信号产生的。根据本文的示例性实施例，该模拟放大器可以被配置用于在其输出端处输出与提供给其信号输入端的检测信号相对应的放大信号。根据本文的进一步示例性实施例，该窗口比较器可以被配置为只有提供给其信号输入端的放大信号小于或等于上限阈值且大于或等于下限阈值时，才在其输出端处输出预定信号。

[0009] 根据示例性实施例，该窗口比较器可以具有用于将该上限阈值设定为可选值的上限阈值输入端。根据进一步示例性实施例，该窗口比较器可以具有用于将该下限阈值设定为可选值的下限阈值输入端。

[0010] 根据示例性实施例，该信号处理器可以包括计数器，该计数器具有信号输入端，该信号输入端连接至该窗口比较器的输出端。该计数器具有输出端，并且可以被配置用于在其输出端处产生表示随着提供给其信号输入端的预定信号的每次出现而增大的数的信号。在该信号处理器的输出端处产生的信号可以是基于在该计数器的输入端处提供的信号产生的。

[0011] 根据示例性实施例，该窗口比较器可以具有复位输入端，其中，该计数器被配置为如果预定信号施加至其复位输入端，则将在其输出端处产生的信号重置为预定值。

[0012] 根据示例性实施例，在该计数器的输出端处产生的信号是数字信号。

[0013] 根据进一步示例性实施例，该信号处理器包括电阻，该电阻将该窗口比较器的输出端连接至地面。

[0014] 根据示例性实施例，在该模拟放大器的输出端处产生的信号是模拟信号。

[0015] 根据一些实施例，该检测器是硅漂移二极管(SDD)、PIN二极管、肖特基二极管、以及雪崩二极管之一。

[0016] 根据进一步示例性实施例，该电子束显微镜进一步包括控制器，该控制器被配置用于控制电子光学器件，以便将该聚焦电子束引导至该样品上的多个不同的位置，用于将该聚焦电子束维持在该多个位置中的每一个位置处预定驻留时间，并且用于存储与该多个位置中的每一个位置相关联的数据，该数据表示当该聚焦电子束维持在该样品上的相同位置时该计数器的输出信号的变化。

附图说明

[0017] 参照附图，根据以下对示例性实施例的详细描述，本披露内容的上述和其他有利特征将更加清楚。应注意，并非所有可能实施例都必须呈现本文所确认的优点中的每个或任一个优点。图中：

[0018] 图1是根据实施例的电子束显微镜的示意性图示，

[0019] 图2是图1所示的电子束显微镜的信号处理器的电路图，

[0020] 图3A、图3B和图3C是在不同的能量阈值下记录的反向散射电子图像，以及[0021] 图4是根据进一步实施例的图1所示的电子束显微镜的信号处理器的一部分的电路图。

具体实施方式

[0022] 图1是电子束显微镜1的示例性实施例的示意性图示。电子束显微镜1包括电子光学器件，电子光学器件包括电子束源5，该电子束源具有阴极7、以及引出和抑制电极9，以用于产生一次粒子束13。一次粒子束13穿过电子光学器件的聚束透镜11、电子检测器17中设置的孔口15、以及电子光学器件的物镜19，该物镜用于将一次粒子束13聚焦在物平面23上的位置21处。样品25的待检查的表面定位在物平面23上。

[0023] 物镜19包括环形线圈27，该环形线圈设置在环状轭中，该环状轭具有环状上磁极片31和环状下磁极片32，使得在上磁极片31与下磁极片32之间形成环状间隙。在此间隙中产生用于聚焦电子束13的磁场。

[0024] 电子束显微镜1进一步包括束管35，该束管进入并部分穿过物镜19。端电极37设置在束管35的底端处。端子电极36布置在端电极37与物平面之间，其中，在端电极37与端子电极36之间产生的静电场在一次电子束13上提供聚焦力。由电极36与电极37之间的静电场提供的聚焦力和由磁极片31与磁极片32之间的磁场提供的聚焦力共同提供电子束显微镜1的物镜19的聚焦力。

[0025] 提供了控制器39以用于向端子电极36、端电极37、阴极7、以及引出和抑制电极9供应合适的电压，使得在物平面上形成电子束焦点。

[0026] 这些电压可以被选择成使得一次电子束的电子在其在位置21处入射在物体25上时具有预定动能。具体地，控制器39可以向端子电极36供应与接地电势相对应的电压或与接地电势不同的电压。

[0027] 电子光学器件进一步包括偏转器41，这些偏转器也由控制器39控制，以用于偏转电子束13并且用于改变一次电子束13在物平面23上的物体25上入射的位置21。通过偏转一次电子束，特别是可以使一次粒子束系统地在物体25的表面的一部分上扫描。

[0028] 入射在物体25上的一次粒子束使得从物体25中出射二次电子。这样的二次电子的一部分可以进入束管35，使得它们被电子检测器17检测到。在本披露的上下文中，术语“二次电子”包括通过将一次粒子束引导到物体上而使得从物体中出射并且可以被电子检测器17检测到的所有类型的电子。术语“二次电子”具体包括反向散射电子，这些反向散射电子具有与入射在物体上的一次粒子的动能相对应的或略小于其动能的动能。该术语进一步包括当从物体表面中出射时具有比一次粒子在入射到物体上时的动能小得多的动能的二次电子。图1示意性地以附图标记43示出了入射在电子检测器17上的二次电子的示例性轨迹。

[0029] 电子束显微镜1进一步包括另外一检测器47，该检测器布置在物镜19与物平面23之间。检测器47包括允许一次粒子束13和二次电子43穿过检测器47的中心孔口49。检测器47包括多个检测表面51，这些检测表面位于距物镜的主轴线12某一径向距离处。提供了检测器47以用于检测由一次粒子束13入射在物体上而产生的二次电子和X射线两者。由一次电子束13在位置21处产生的并且入射在检测器47上的二次电子或X射线的示例性轨迹在图
1以附图标记53指示。

[0030] 所展示的实施例的电子显微镜1的检测器17和47是根据本发明的实施例的电子束显微镜可以具有的检测器的实例。检测器17和47相对于电子束光学器件和样品23安排在不同的位置处。如果另一个检测器相对于电子束光学器件和样品23布置成使得其能够检测反向散射电子，则根据其他实施例的电子束显微镜可以仅包括这些检测器之一或者不包括所有这些检测器。

[0031] 用于检测反向散射电子的检测器17、47中的至少一个是产生检测信号的能量敏感检测器，使得相应的检测信号的强度随着对应的所检测的反向散射电子的动能增加。在所展示的实施例中，检测器17、47是硅漂移二极管(SDD)。在其他实施例中，也可以使用其他类型的能量敏感检测器，比如PIN二极管、肖特基二极管、以及雪崩二极管。

[0032] 检测器17、47产生的检测信号通过信号处理器61处理，并且信号处理器61产生的信号提供给控制器39。

[0033] 图2示出了信号处理器61的电路图。信号处理器61包括模拟放大器63，该模拟放大器具有输入端65，该输入端连接至检测器17、47的输出端66。提供给模拟放大器63的信号输入端65的示例性系列的不同信号强度的三个检测信号在图2以67示意性地展示。模拟放大器63包括前置放大器69和整形放大器71。前置放大器69包括FET72、运算放大器73、以及反馈电路，该反馈电路包括电容74和电阻75。前置放大器根据示例性检测信号67产生的信号在图2以77指示。前置放大器可以产生输入信号67的时间积分电压信号，输入信号本身可以包括一系列单独的电流脉冲。因此，前置放大器根据一系列电流输入脉冲产生的输出信号77是电压阶跃信号77，其中，每个输入电流脉冲使输出电压信号阶跃式增大。电压阶跃的高度与引起此电压阶跃的对应的输入电流脉冲的高度相关联。

[0034] 整形放大器71在模拟放大器63的输出端79处根据输入到整形放大器71的信号77产生输出信号，该输出信号在图2以81示意性地指示。整形放大器71的输出信号81可以被视为信号77的时间导数，其在图2示出为阶梯形信号。信号81对应于信号67在于信号67中的不同信号强度的脉冲对应于信号81中的不同放大强度的脉冲。此外，信号81中的脉冲的形状由整形放大器71决定，并且这些脉冲适合于基于脉冲强度进一步分析。

[0035] 因此，前置放大器69和整形放大器71的组合根据一系列输入脉冲67产生一系列放大输出电压峰81，这些输入脉冲在所展示的实施例中为电流脉冲。放大输出电压峰具有峰高，这些峰高与对应的输入电流脉冲67的高度相关联。本文中，输出电压峰具有预定义的可再现形状，该形状独立于对应的输入电流脉冲的形状。考虑到后续的信号分析，输出电压峰的相同或相似的形状可能是有利的。

[0036] 信号处理器61进一步包括窗口比较器83，该窗口比较器具有输入端84，该输入端连接至信号处理器63的输出端79。窗口比较器83具有输出端85并且被配置为只有提供给信号输入端84的放大信号81小于或等于上限阈值且大于或等于下限阈值时，才在输出端85处输出预定信号。窗口比较器83可以具有任何配置以便执行此功能。在本实例中，窗口比较器83包括两个运算放大器871和872、两个二极管881和802、以及逆变器89。运算放大器871的非反相输入端和运算放大器872的反相输入端连接至窗口比较器83的信号输入端84。运算放大器871的反相输入端连接至窗口比较器83的上限阈值输入端91，并且运算放大器872的非反相输入端连接至窗口比较器83的下限阈值输入端92。二极管881、882的阳极分别连接至运算放大器871、872的输出端。二极管881和882的阴极连接至逆变器89的输入端。逆变器89的输出端连接至窗口比较器的输出端85。

[0037] 因此，窗口比较器83的输出信号是一系列脉冲信号90，其中，只有输入信号67中的这些具有足够的脉冲高度的输入电流脉冲才能在窗口比较器83的输出端85处产生所述系列的脉冲信号90中的对应的输出脉冲。

[0038] 信号处理器61进一步包括计数器91，该计数器具有输入端92，该输入端连接至窗口比较器83的输出端85。计数器具有输出端93，并且被配置用于在其输出端93处产生表示随着提供给其输入端92的信号90中的脉冲的每次出现而增加的数的信号。计数器91进一步包括复位输入端94，其中，计数器被配置为如果预定信号施加至复位输入端94，则将在其输出端93处产生的信号重置为预定值，比如零。

[0039] 计数器91的输出端93可以提供信号处理器61的输出端95，该输出端连接至控制器39。然而，可能是，可以在计数器91的输出端93与控制器39之间设置另外的电路，整形放大器可以包括其他电路以执行期望的信号整形，并且前置放大器还可以具有不同的合适的配置。

[0040] 由样品23上的入射电子束13产生的反向散射电子通常具有较宽的动能谱。反向散射电子的最高可能动能对应于入射电子动能。大部分反向散射电子具有的动能大致与此最大动能相等。它们通常在本领域中被称为低损耗反向散射电子。动能比最大能量小很多的其余反向散射电子在本领域中被称为高损耗反向散射电子。

[0041] 信号处理器61允许根据上限阈值能量和下限阈值能量界定的能量范围对检测器17、47的检测信号67进行滤波。上限阈值能量和下限阈值能量可以由控制器39通过分别向窗口比较器61的上限阈值输入端91和下限阈值输入端92提供合适的信号来控制。计数器91将仅对与具有在由控制器39选择的能量范围内的动能的反向散射电子相对应的检测信号计数。

[0042] 图3A、图3B和图3C示出了由所检测的具有三个不同范围内的动能的反向散射电子产生的图像。成像的样品是碳基底上的薄金膜。入射在样品上的电子束的电子具有2kV的动能，并且束电流y总计达50微微安培。图像中的灰度表示在某一持续时间、也被称为驻留时间期间产生的计数器的值的变化，在此期间，聚焦电子束被引导至样品上的相同位置。

[0043] 图3A示出了样品的图像，其中，对低损耗反向散射电子和高损耗反向散射电子两者计数。

[0044] 图3B示出了相同样品的图像，其中，仅对高损耗反向散射电子计数。在所展示的实例中，采用动能在100eV与1,950eV之间的反向散射电子作为图3B中的高损耗反向散射电子。

[0045] 图3C示出了相同样品的图像，其中，仅对低损耗反向散射电子计数。在所展示的实例中，采用动能在1,950eV与2,000eV之间的反向散射电子作为低损耗反向散射电子。明显的是，图3B示出了粒子晶粒内的最低对比度，使得从该图像中不可能得到太多关于材料特性的信息。这与图3C相反，该图示出了晶粒内的丰富结构，这些结构源自晶粒内的不同材料组成和晶体取向。

[0046] 图3A、图3B和图3C的比较表明当可以基于能量范围对促成图像的反向散射电子滤波时可以从所检测的反向散射电子中获得有意义的信息。应注意的是，不同于上述实例的两类低损耗反向散射电子和高损耗反向散射电子的其他能量范围可以根据应用来选择。

[0047] 通过以上所示的信号处理器实现的对与反向散射电子相对应的信号的滤波是非常快的，因为它不需要进行数模转换并且不需要使用计算机对数字信号表示的信号强度进行处理。因此，信号处理器61允许所检测的反向散射电子的计数率非常高，这意味着可以使用聚焦电子束的相对较高的束电流，这增加了通过量。特别是，可以使用的束电流可以比100微微安培高很多。

[0048] 以下将参考图4来展示电子显微镜和信号处理器的进一步实施例。此进一步实施例与以上展示的实施例的不同之处在于图4展示了信号处理器的一部分的细节。图4所示的具有与以上展示的实施例的对应元件相同或相似功能的元件由在图1至图3中使用的相同的附图标记指示，但补充有小写字母‘a’。图4所展示的信号处理器61a具有模拟放大器，该模拟放大器未在图4中示出并且具有输出端，该输出端连接至窗口比较器83a的输入端84a。窗口比较器具有上限阈值输入端91a和下限阈值输入端92a，分别连接至运算放大器87a1和
87a2。运算放大器87a1和87a2的输出端连接至窗口比较器83a的输出端85a。窗口比较器83a的输出端85a经由电阻96接地。窗口比较器83a的输出端85a可以直接用作信号处理器61a的输出端95a。在操作器83a的输出端85a处产生的信号指示在给定能量范围内的反向散射电子入射在样品上的速率。在输出端85a处提供的输出信号可以根据入射的反向散射电子的速率被进一步处理为具有电压的模拟信号。与图2所示的信号处理器的实施例相比，图4所示的信号处理器具有包括更少元件的窗口比较器，因为二极管88和逆变器89可以被省略。

[0049] 尽管就本发明的某些示例性实施例而言描述了本发明，但是明显的是，许多替代、修改和变化对本领域技术人员来说是明显的。相应地，本文阐述的本发明的示例性实施例意在是说明性的，而不是限制性的。可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下进行多种不同修改。

标题	发布/更新时间	阅读量
扫描显微镜-专利编号CN107924048A	2020-05-12	547
变焦显微镜-专利编号CN106575029A	2020-05-12	363
显微镜载物台-专利编号CN102540441B	2020-05-13	521
显微镜载物台-专利编号CN102540441A	2020-05-13	715
电子束显微镜-专利编号CN110310876A	2020-05-13	864
显微镜-专利编号CN104423027A	2020-05-11	355
显微镜-专利编号CN107340584B	2020-05-11	762
变焦显微镜-专利编号CN106575029B	2020-05-12	149
显微镜-专利编号CN107340584A	2020-05-11	456
显微镜-专利编号CN108535854A	2020-05-11	897

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