专利名称：粒子－光学装置与检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种粒子-光学装置，该装置包括配置成用来安放样品的样品保持具；配置成用来产生沿光轴照射所述样品的第一带电粒子的初级粒子束的粒子源；配置成用来检测由于所述照射从样品发出的电子(例如，次级电子)的第一检测装置；至少由所述样品保持具和所述第一检测装置形成的检测空间；以及配置成用来在样品保持具附近提供聚焦初级粒子束的磁场的浸没透镜，其中所述第一检测装置配置成用来在检测空间内提供电场，并且检测空间配置成包括气体。
背景技术：
可从日本专利申请号为3-53811的5-174768(A)号摘要中了解到上述装置，该摘要在1993年7月13日公开。
这种装置更多地被称为环境扫描电镜(ESEM)，并且是基于扫描电镜(SEM)原理。在SEM中，利用沿装置的光轴传播的带电粒子(一般为电子)的初级粒子束探测要研究样品的区域。由于碰撞中释放的能量，入射到样品上的带电粒子引起样品中其它带电粒子的逸出，逸出的带电粒子以一定的动能从样品中发射。这些次级粒子的能量(基本小于初级粒子束中的粒子能量)提供了样品的性质、结构和成分信息。由于这个原因，SEM经常装配有能够检测这些逸出粒子的次级电子检测装置。例如，如果次级电子检测装置装配有保持在正电压上的电极，并假设从样品逸出的次级粒子是(带负电的)次级电子，那么这些次级电子将向该电极移动。被电极捕获的次级电子在检测器内产生电流，该电流可被放大并可产生样品的必要信息。因为来自粒子源的初级粒子束探测样品的区域，所以可通过编辑在检测器的辅助下获得的信息来获得样品的图像。不难明白，对于由此获得的图像的质量(特别是记录图像的速度和信噪比(SNR))来说，获得尽可能大的检测电流是有用的。
在ESEM中，要研究的样品放在压力在0.1托(13帕)到50托(6575帕)之间的气体环境中，而在传统的SEM中样品设置在真空中。与传统的SEM相比，ESEM的优点在于ESEM可以形成潮湿或非导电样品(例如生物样品、潮湿样品、塑胶、陶瓷材料或玻璃纤维)的电子-光学图像，在传统SEM通常使用的真空条件下，这些样品很难成像。ESEM可以使样品保持在自然状态，不必受到干燥、冷冻或真空镀膜的不利影响，而这些方法在使用传统SEM的研究中通常是必需的。
使用气体环境的另一个优点在于由照射产生的聚集在样品上的表面电荷(假设样品是非导电性样品)的消除，这种消除的结果是使显微镜的分辨能力增加。
ESEM中使用气体环境还可改善检测装置。在ESEM中，在次级电子检测器的方向上移动的逸出次级电子沿途与存在于其路径上的气体分子发生碰撞。这种碰撞将导致从气体分子中逸出新的电子(所谓的子电子)，新的电子也在次级电子检测器的方向上移动。这些新逸出的子电子将与其它气体分子等再次发生碰撞，因而由于使用气体环境，使得出现次级电子信号的放大。不难明白，次级电子到达次级电子检测器所经过的距离越大，在次级电子和气体分子之间发生的碰撞次数越多。在这种情况下，应该考虑到电子显微镜的样品腔或检测空间最好能使初级粒子束必须穿过加压样品腔的路径长度尽可能小。这是因为存在的气体分子还引起初级粒子束的散射，尽管来自初级粒子束的电子能够与气体分子碰撞。
在所引用的5-174768号摘要中揭示了一种通过浸没透镜将来自粒子源的初级粒子束聚焦到样品上的ESEM。该浸没透镜包括磁偶极子，该磁偶极子的磁极位于由样品保持具和初级粒子束源形成的样品腔的相对的两侧。通过这种方法，在样品腔内提供磁场。从样品逸出的次级电子在其到达检测器的路上受到磁场的影响，这使得这些电子将沿螺旋状路径移动。应该声明，以这种方法，次级电子穿过的距离将显著增加，以使碰撞的可能性正比增加并且检测装置的放大倍数增加。上述的器件的缺点是在所给的配置中，电子沿一个围绕平行于磁场延伸的轴的螺旋状路径移动。电子从样品到检测器所经过的距离直接取决于检测器和样品之间在磁场方向上的距离。在所示的情况中，这意味着检测器电极应该位于样品上方尽可能高的位置，以便获得尽可能大的放大倍数。随之而来的是初级粒子束经过样品腔(并因而经过气体环境)的距离也应该很大。这种情况的结果是初级粒子束的散射增加。因而，以所示器件的分辨能力为代价，实现了检测装置放大倍数的增加。
发明概述因而，本发明的一个目的是提供一种工作距离(初级粒子束在检测空间内经过的距离)尽可能小但检测装置的放大倍数尽可能大的粒子-光学装置。需要理解，检测包括带电粒子的直接收集以及由带电粒子的移动在外部电路内引起的信号感应。
本发明的上述目的以及其它目的通过以下方法实现所述第一检测装置和所述浸没透镜配置成提供电场和磁场，使所述检测空间包括其中电场定向成横过磁场的第一部分。可以看出，假设存在一定的电场和磁场值时，在这种场结构内低能电子的运动可产生较大的放大系数。还可以看出，这种较大的放大甚至可以在低压气体内发生，这进一步减小了初级粒子束的散射。
本发明利用的原理为在磁场和电场中运动的带电粒子(例如，电子)上的合作用力 (用 表示矢量F)包括粒子上的电作用力 和磁作用力 电作用力 (取决于粒子的电荷)平行或反平行于电场 而磁作用力的方向垂直于速度粒子的速度 和磁通量 磁作用力 的方向还由粒子电荷的极性(正/负)决定。
电作用力和磁作用力由以下公式给出(1)---F→E=qE→]]>(2)---F→B=q(v→×B→)]]>式中q为粒子的电荷(可为正或负)。
合作用力F可由以下矢量关系给出F→=F→E+F→B=q(E→+v→×B→)]]>本发明利用在与电场相互垂直的磁场中从静止(或低能)开始的电子所遵循的运动。该电子将沿所谓摆线(cycloidal)路径运动并且电子的动能将从起始能量到较高并随后回到初始能量重复地循环。然而，在气体环境内，电子可能与气体分子碰撞。如果电子的动能超过检测空间中存在的气体的电离能，那么该电子能够在与气体分子的碰撞中释放另一个电子(称之为子电子)。当这种碰撞出现时，原电子和子电子还将沿摆线路径运动，并且每个次级电子的链式反应可产生大量电子。因此，形成次级电子信号的大的放大。这种被放大的信号在提供电场的电极上被收集。
在本发明的另一实施例中，电场可径向对称并且电子将沿一般为圆形的路径运动，与摆线运动组合。这种情况同样可产生大的放大。这种径向电场可由环形电极方便地提供，该环形电极还可作为信号检测器。可进一步看出，这种大的放大系数可在气体处于低压时出现。
应该理解，因为电场和磁场大体上彼此垂直定向，所以粒子在样品和检测器之间经过的距离不取决于初级电子的初级粒子束在检测空间内经过的工作距离。粒子经过的距离取决于光轴和检测器电极的最近定位点之间的距离。实行所描述的检测技术将不再以粒子-光学装置的分辨能力为代价。上面的重点在于至少在检测空间的一部分中，电场必须具有足够大的垂直于磁场的分量 以使处于摆线运动的电子的动能高于气体的分子电离能。由此，本领域技术人员能够计算电场和磁场的重要参数。
本发明的实施例中揭示了一种粒子-光学装置，其中第一检测装置和浸没透镜进一步配置成这样提供电场和磁场，使检测空间包括其中电场与磁场平行的第二部分。
在检测空间的第二部分内，如果电场具有平行于磁场 的分量 那么具有不完全平行于磁通量 的无定向速度的粒子将沿螺旋状路径运动。这种情况的解释是由于电作用力 粒子将在电作用力 的方向上均匀地加速。然而，垂直于磁通量 的粒子速度的分量V”将受到垂直于该速度和磁场的作用力 因而，垂直于磁通量 的粒子速度的分量V”的方向将不断变化。因此，粒子将绕在电场 方向上定向的轴作螺旋状运动。
如果使电场 可从正变到负，那么由于磁场作用，次级电子将往复振荡同时还作螺旋状运动。这两种运动的组合将极大地增加气体中电子的路径，并因而增加了信号的放大。由于这种情况，本发明粒子-光学装置的检测器变得更加灵敏。
本发明粒子-光学装置的另一实施例中，第一检测装置包括配置成用来提供电场并检测次级电子和子电子的第一电极，其中第一电极包括绕光轴对称配置的中心开口。本实施例提供了一种用以产生绕光轴径向对称的电场的简单结构。当适当地选择中心开口的尺寸时，该结构(其中在光轴的延长线上设置在工作过程中定位样品的样品保持具)将在检测的附近产生包括垂直于光轴的较大分量并且还在样品保持具的附近产生包括平行于光轴的较大分量的电场。通过使用本领域技术人员公知的技术产生大体上平行于光轴的磁场，可获得上述的实施例，其中检测空间包括电场与磁场平行的区域以及电场和磁场彼此垂直或横向的区域。通过这种方式，可在粒子-光学装置中以容易的方式应用本发明。
在又一实施例中，粒子-光学装置还包括配置成用来检测由于气体和电子之间的相互作用在气体内形成的第二带电粒子(例如，离子)的第二检测装置。例如，因为在检测空间内次级电子与气体分子碰撞，当次级电子的动能超过气体分子的电离能时，不仅形成子电子，还形成带电气体离子(第二带电粒子)。通过利用第二检测装置检测这些气体离子，可以接收到提供样品性质和成分的附加信号。由于气体离子的极性与次级电子的极性相反，气体粒子的检测一开始就会产生可看作是来自第一检测装置的信号的负值的信号。
在本发明的又一实施例中，检测装置包括位于样品和第一检测装置之间的第二电极，其中该第二电极包括绕光轴对称设置的中心开口。
这种电极提供优点在于该电极没有不均匀地扰乱第一电极的径向电场。由于电子通常比离子更易于移动(就它们的质量而言)，在第一电极和样品之间设置第二电极所产生的优点是离子更容易被第二电极捕获。因而，正离子将与第二电极碰撞，在第二电极上这些粒子通过重新结合而被中和并因此产生可从第二电极测量的信号。
在本发明的另一实施例中，样品保持具包括第三电极，并且第三检测装置至少被包括在样品保持具内。
在这样的实施例中，一些来自气体的带正电离子被样品保持具收集。通过这种方式，可在第三检测器产生电流，提供所要求的信号。
本发明的另一实施例还包括配置成用来检测由于气体和电子的相互作用而释放的光子的第四检测装置。例如，由于来自样品的次级电子和气体分子之间的碰撞，产生可被第四检测装置检测的光子。检测的光子的数量(即，检测的光强)正比于次级电子和气体分子之间发生碰撞的次数。因而，检测的光强与来自样品的次级电子信号和来自第一检测器的信号直接相关。这些光子的检测提供了样品信息，该信息可用于信号处理和图像形成。
本发明的一优选实施例还包括用以在第一检测装置、第二检测装置、第三检测装置和第四检测装置所提供的至少两个信号组合的基础上提供信号的装置。
通过结合来自不同检测装置的信号，可增强信噪比。利用检测器获得的信号包含一定量的噪音。如果把来自第一检测器的信号同来自其它检测器的信号进行比较，来自各检测器的信号内存在的某些噪声将相关，并且某些噪声不相关。这种情况使得可用本领域技术人员公知的多种技术来消除噪声。
在本发明的又一实施例中，粒子-光学装置包括体现为利用负偏压来电偏置样品的装置。在这种情况下，样品和第一检测器之间的电场将增加，这将增加气体中的放大。
在本发明的第二方面，本发明涉及检测装置，该检测装置包括配置成用来作为本发明第一方面的粒子-光学装置的第一检测器装置的环状电极和放大装置。
在本发明的第三方面，本发明涉及一种在粒子-光学装置中检测电子的方法，其中利用带电粒子的初级粒子束照射样品并通过所述照射从所述样品中逸出次级电子，其中所述次级电子向检测装置和至少由所述检测装置和所述样品形成的检测空间加速，所述检测空间包含气体，并且其中浸没透镜在所述检测空间内提供磁场，其中所述电场和所述磁场被这样提供，使检测空间至少包括一个其中电场定向为与磁场成横向的部分。
附图的简单说明以下将用多个实施例并参照附图以及附图中包含的附图标记进一步阐明本发明，其中应该注意，所描述的实施例对本申请的权利要求中所陈述的保护范围不具排他性。
图1a为在磁场和电场中传播的电子的路径的示意性描述，其中真空中电场与磁场成横向关系。
图1b进一步描述气体环境中在上述场中传播的电子，显示了该电子和气体分子之间的碰撞，由此产生子电子。该示意图还描述了这两种电子的后续路径。
图2a表示来自磁控管的、其中电场与磁场成横向关系且电场为径向对称的场。
图2b描述真空中上述场内的电子运动。
图2c进一步描述气体中上述场内的电子运动。
图3为磁场和电场内传播的电子路径的示意性描述，其中磁场与电场彼此平行并且电子具有平行和垂直于这些场的初始速度分量。
图4a描述了沿z轴增加随后又减小的电势。
图4b描述了在气体环境下处于图4a的电势梯度内的电子的运动。
图5是本发明的粒子-光学装置一实施例的检测空间的示意性描述，其中描述了电场线和磁场线。
图6是本发明一实施例的示意性描述。
图7是曲线图，表示气体放大与检测器空间中没有磁场的ESEM检测器的阳极电压的函数关系，以及与提供磁场的浸没透镜一同使用的ESEM检测器的阳极电压的函数关系。
图8为本发明另一实施例的示意性描述。
具体实施例方式
图1a是在k点以零速度开始的并在电场E(平行于Y轴)和磁场B(垂直于纸面并指向纸面内)的作用下移动的电子的运动示意性描述。最初，由于电场E的作用，电子在Y方向上加速。由于磁场和电子速度的影响，电子受到X方向的作用力。这使电子沿2所示的路径运动。在m点处，电子获得最大速度和最大能量。在从m到n的过程中，电子减速直到在n点处停止。这种运动被称为摆线(cycloidal)运动。假设电子在真空内，如果场E沿X轴的所有点不变，假设电子处于真空，那么摆线运动将无限地重复下去。电子的这种运动是本领域技术人员所公知的，并被称为平面磁控管。
图1b描述了电子处于气体环境的情况。随着电子沿摆线路径运动，最后它将与气体分子碰撞(如q点所示)。如果q点处的电子能量超过气体分子的电离能，那么气体分子将被电离，并逸出另一个电子。这种第二电子被称作子电子(daughter electron)3.
原电子1和子电子3均从q点出发，并经过如4所示的摆线运动。这两个电子可分别电离其它的气体分子，因而引起级联倍增。在本发明的第一方面采用了这种机制。
图2a显示了圆柱形磁控管的场配置。在该配置中有两个圆柱形元件，在电极之间施加电势的内电极5和外电极6。本图描述了外电极所处电压高于内电极的情况，这种情况产生径向对称的电场E。此外，还存在磁场B(垂直于纸面)。可以看出，在两个电极间的真空内从静止开始的电子将向加速外电极加速，并经历与图1所示的摆线类似的运动，但同时绕内电极沿一般为曲线的路径运动。这种路径如图2的7所示。
如果两个电极之间的空间内填充气体，那么可出现电离并产生子电子(如上面平面磁控管描述的一样)。每一次碰撞中，电子和子电子将更靠近外电极。在图2c中描述了这种情况。最后，原电子和级联的子电子将到达外电极。因而，各原电子将在外电极产生放大数量的电子。如果原电子是样品信息的表示形式，那么在外电极收集的信号是该信息的放大形式。这种放大机制的另一优点在于电子将在内和外电极之间持续运转直到与气体分子发生碰撞。因而，甚至在低的气体压力下也会出现大的放大。
只要存在一定的E和B值，将出现子电子的产生和随后的级联放大。摆线运动中的电子的最大能量由2*m*(E/M)^2/q给出，式中m为电子质量、q为电子电量，如果这种最大能量大于气体的电离能量，就会出现电离现象并产生子电子。因此，对于给定的B值，就需要一个E的临界值。在圆对称的电场中，E值随半径变化，并且为了获得大的放大，必须在大部分检测空间提供该临界值。
如本领域技术人员知，径向电场可由各种不同的结构提供。例如，众所周知环形电极或带有圆孔的平板电极均可提供径向对称电场。还可以看出，环形或平板电极产生的电场将产生所述的优选放大。因而，环形或平板电极可关于带电粒子束对称设置，以使电场对带电粒子束的影响最小化。本领域技术人员还知道，所需的轴向磁场可通过各种不同结构提供。适合的磁场可由带电粒子束装置的所谓浸没透镜提供，或者在带电粒子束装置的所谓针孔透镜的极靴内提供，或者由带电粒子束装置的所谓单极透镜(single pole lens)提供。
图3表示电子15(例如，可为由初级电子束从样品中释放的次级电子)在磁场和电场中传播的情况，其中电场强度18和磁场强度17基本彼此平行并处于坐标轴5所示的Z轴方向上。这意味着电场强度18和磁场强度17所具有的平行分量远大于彼此垂直的分量。在这种情况下，例如电子15具有初始速度16，该初始速度16具有平行于电场18和磁场17的分量16′(但，例如与之反向)，其中速度16还具有垂直于电场18和磁场17的分量16″。
最初，电场18在与电场18相反的方向上均匀加速电子15。垂直这两个场17和18的该速度的分量16″确保存在与磁场的相互作用，在电子上产生始终垂直于速度分量16″的磁作用力。通过这种方法，部分由于电场18反方向上的加速，粒子经过螺旋状和螺纹状路径。这种路径的半径由所谓的拉莫尔半径(Larmor radius)决定，这种情况为本领域技术人员所公知。
图4a描述电势9沿Z轴增加到最大值V并随后减小的情况。受到该电势的影响，电子10首先被该电势产生的电场加速，随后又被减速，并接着转向。就是说，如果不受阻碍，电子10在最高电势点或面周围振荡。
图4b中的12描述了气体环境内的电子的运动路径。电子和气体之间会有碰撞，这会引起电子能量的损失。电子将在电场内振荡，但振幅将减小。如果电场足够强，那么电子可获得足以在碰撞过程中电离气体分子的动能，由此产生子电子。子电子也可被电场加速并发生级联放大。
在实际情况中，这种级联中产生的电子将向提供电场的电极漂移，并且级联将过早的结束。提供平行于产生图4a电势的电场的磁场以使图3所示的螺旋状运动与图4b的振荡效应结合来提供更大的级联放大是非常有益的。本领域技术人员可知这种结合就是所谓的磁彭宁效应(magnetic Penning effect)。
图5示意性描述检测空间20，该检测空间至少由环状阳极32(以横截面形式表示)以及包括样品41的粒子-光学装置的示意性表示的基座结构31形成。初级电子束(未图示)由电子源(未图示)产生，电子源的边缘(图中仅示出其末端30)形成磁偶极子的第一磁极。粒子-光学装置的基座结构31可形成磁偶极子的第二磁极。在这种情况下，产生了由磁场线35示意描述的磁场。
阳极32一般偏置在10V和2000V之间的正电势上。初级粒子束开口33和基座结构31一般偏置在地电势上。这些条件下，一般会产生由电场线34示意表示的电场。可以看出，沿Z轴的电势分布具有图4所示的所要求的形态。此外，由磁场35聚焦的初级电子束(未图示)通过电子源的初级粒子束开口33，穿过检测空间20并入射到定位于基座结构31上的样品41上。所示的检测空间20内具有一电场线34和磁场线35基本彼此垂直的子空间。如图5中可看到的，该子空间主要由环状阳极32的开口形成。
检测空间20还包括电场线和磁场线基本彼此平行定向的子空间。该子空间至少以基座结构31为边界。在所描述的实例中，这种子空间存在于电子源的末端30附近。可以理解，图5中给出的示意性描述具有关于穿过初级粒子束开口并垂直于基座结构31的初级粒子束轴线的径向对称。
可以看出，只要存在电场和磁场值的一定配合，这种场结构内的低能电子的运动就可产生较大的放大系数。阳极孔尺寸是确定电场平行分量和横向分量的强度的因素。如果阳极孔太小，那么放大将由磁彭宁机制增强，但因为电场没有达到上面图2所描述的临界值，磁控管机制将降低或不存在。如果阳极孔太大，由磁彭宁机制增强的放大可能不存在，尽管磁控管放大增加。可以看出，在存在既能实现磁彭宁机制又能实现磁控管机制的条件下，即使在低气体压力下也能够产生大的放大，这进一步减小了初级粒子束的散射。
图7显示了气体放大与阳极电压的函数关系图。气体放大就是检测到的各次级电子的电荷数量。线70表示在检测空间内不存在磁场的情况下的ESEM检测器的放大，而线72表示与在检测空间内提供磁场的磁浸没透镜一同使用的ESEM检测器的放大。线72包括第一区域73(在该第一区域73，放大过程主要表征为彭宁机制)、第二区域74(在该第二区域，放大表征为磁控管机制和彭宁机制的结合)和转换区域75。彭宁机制区域73的斜率76明显小于结合机制区域74的斜率77。如图7所示，结合机制可提供大于1000、大于2000、大于5000以及大于10,000的气体放大，所有这些情况的阳极电压都低于350V或者低于400V。在转换区域75之上并在结合区域74内工作的本发明实施例提供的放大，基本大于仅在彭宁区域73工作的现有技术的检测器。线72表示一实施例的数据，本领域的技术人员不难明白，其它的实施例将产生不同的放大和不同的斜率。
只要选定适当的尺寸值，并对于给定的阳极孔尺寸在阳极32上提供适当电压并选定磁场B，图5所描述的检测空间20就可提供既能实现磁彭宁机制又能实现磁控管的条件。由于基于磁彭宁机制和磁控管机制的放大倍增效应，该检测空间的放大可以很高。
一组提供磁彭宁机制和磁控管机制的条件包括阳极孔尺寸大约3mm、高达约0.3特斯拉的磁场、大于400V的阳极电势和大约3托的气体压力。据知，这些条件产生的放大效果比任何现有ESEM检测器在400V时大许多。典型的工作压力在0.1托和0.7托之间。
在图6的本发明实施例的示意性描述中再一次表示图5所描述的检测空间20。与图5的部件功能相同的部件用对应的相同附图标记表示。在所描述的实施例中还可以看到离子板36，如果需要，该离子板36可被偏置或接地。借助于分隔板37，可在电子源的真空环境和检测空间20的必要环境之间保持压力差。这时，初级粒子束开口33是分隔板37的一部分。此外，环状电极32连接到放大器38，它被偏置以在阳极32上提供电势。放大器38在输出端39产生正比检测的电子数量的信号。由电子源(未图示)产生的初级粒子束将沿光轴40通过初级粒子束开口33，经过检测空间20并入射到样品41上，该样品临时固定在样品保持具42上。
由环状阳极32产生的电场(未图示)和由电子源30的壁以及基座结构31形成的磁偶极子产生的磁场(未图示)将确保在样品41的附近形成类似图5的子空间，在该子空间内电场和磁场彼此平行。作为图4所示的所谓″磁彭宁″机制的结果，由来自样品41的初级粒子束释放的各次级电子可在阳极32的中心产生大量子电子。与气体的碰撞使这些电子离开阳极的中心并随后经历磁控管运动(magnetronmotion)。从而，由于磁控管运动，利用磁彭宁机制产生的各子电子可产生更多的子电子。由此形成一个二级放大器，以对于每个原始次级电子都形成大量可到达阳极的电子。
在一些实施例中，气体中产生的离子可用于抵消由于带电粒子束产生的样品的带电。
利用磁彭宁机制和磁控管机制的子电子生成还将产生带正电的气体离子。这些离子的一部分迁移到分隔板37而一部分将向样品41迁移。向样品迁移的离子的一部分需要用来消耗由带电粒子束在样品中感应的电荷。然而，这种检测量的高放大系数可产生过剩的离子。这些过剩的气体离子可由样品和阳极之间的电极收集。这种电极可采取网格、金属线、金属线组或平板(例如离子板36)的形式。电极可被电偏置或接地。
另在一实施例中，基座结构31和电子源30的壁之间的距离可选得很小，以使电场和磁场基本彼此平行的子空间非常小或者甚至不存在。因此，检测空间非常″扁平″并且电场和磁场将基本彼此横向。因而，从样品41逸出的次级电子立即受到电场和磁场基本彼此垂直的环境的影响。利用磁彭宁机制产生的放大可以不存在，但是由于磁控管，检测器组合32、38、39仍可以实现较大的放大系数，该放大系数足以在检测器39的输出端产生所要求的信号，同时工作距离(初级电子束从初级粒子束开口33到样品41必须穿过的检测空间20的距离)可尽可能小。在本实施例中，检测空间内存在的气体分子引起的初级电子束的散射将保持在最小值。
通过检测样品的照射过程以及次级电子的检测过程产生的其它信号可提高被检测信号的质量。
图8描述一种与图6实施例类似的实施例，除了增加了若干附加检测装置以外。与图6中的类似部件功能相同的部件使用相应的相同的附图标记。再一次指出，所示的实施例为本发明粒子-光学装置实施例的横截面，该装置大体上关于光轴40径向对称。从图8可看出，用以捕获由于从样品41中逸出的次级电子与检测空间中存在的气体子碰撞而产生的过剩气体离子的离子板36，连接到在输出端46产生正比于捕获离子数量的信号的放大器45上。因为检测的粒子的不同极性，所以在输出端46的接收信号一般与在输出端39测的检信号是符号相反的。如果基于在输出端46接收的信号产生图像，那么该图像将是基于检测器组合32、38和39产生的信号而生成的图像的负图像。
此时，输出端39和46的信号可彼此结合，结果可提高合成信号的信噪比。应该注意，来自检测器的信号中存在的噪音是相关的，这使得能够采用多种本领域技术人员公知的滤波技术。图8还示出了样品保持具42，其中，样品保持具42形成例如检测电极。通过将该检测电极连接到放大器47，可在放大器的输出端48产生正比于迁移到样品4的正离子数量的信号。通过与上述方法类似的方法，该输出端的信号可用于改善信噪比或改善成像质量。
光子检测器49提供了从粒子-光学装置获得样品信息的另一种可能。该光子检测器49连接到放大器50，在输出端51产生正比于检测空间内存在的光强的信号。例如，作为来自样品的次级电子和气体分子之间碰撞的结果，产生了可由光子检测器49检测的光子。检测光子的数量(即，检测的光强)正比于发生在次级电子和气体分子之间发生的碰撞次数。因而，检测的光强与来自样品的次级电子信号直接有关。
图8还示出了数据处理单元55，该单元将来自所述检测器组合32、38、39、检测器组合36、45、46、检测器组合42、47、48以及检测器组合49、50、51的输出端39、46、48和51的信号以及从粒子-光学装置(未图示)获得的任何其它信息进行结合而形成样品的图像。该图像可在显示装置57上显示或发送到计算机56，在计算机56内该图像可被进一步处理。
在本发明的另一实施例中，样品保持具42可被偏置于某一电势。负电势可通过增加场强度来增加磁彭宁机制的强度。在分隔板37上施加偏置电势来实现同样的目的也是有利的。
尽管上面的揭示内容包括了对申请人构想的用以说明本发明实施例的意料之外的强放大的理论机制的说明，但本发明已证实能实际使用，本发明的有效性并不依赖于其理论前提的正确性。
尽管已经详细地描述了本发明及其优点，应该理解，在不脱离由后附权利要求所限定的本发明的精神和范围的条件下，可在本发明上进行各种变化、替换以及变更。此外，本申请的范围并不限于说明书所描述的过程、装置、产品、物质成分、手段、方法或步骤的特定实施例。根据本发明的揭示内容，本领域技术人员不难明白，依据本发明，可使用目前存在的或以后将开发的实现与本申请所描述的相应实施例基本相同的功能或是获得基本相同的结果的过程、装置、产品、物质成分、手段、方法或步骤。因而，这些过程、装置、产品、物质成分、手段、方法或步骤包括在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种粒子-光学装置，其中包括样品保持具，配置成用来安放样品；粒子源，配置成产生用来照射所述样品的沿光轴的第一带电粒子的初级粒子束；第一检测器，配置成用来放大并检测因所述照射而从所述样品发出的电子信号；检测空间，至少由所述样品保持具和所述第一检测器形成；以及浸没透镜，配置成用来在所述样品保持具附近提供用以聚焦所述初级粒子束的磁场，其中所述第一检测器配置成用来在所述检测空间内提供电场，并且其中所述检测空间设置成包含气体，其中所述第一检测器和所述浸没透镜配置成提供所述电场和所述磁场，使所述检测空间包括其中电场含有与所述磁场成横向关系的分量的第一部分。
2.如权利要求1所述的粒子-光学装置，其特征在于所述第一检测器和所述浸没透镜还配置成提供所述电场和所述磁场，使所述检测空间包括其中所述电场与所述磁场平行的第二部分。
3.如权利要求1所述的粒子-光学装置，其特征在于所述第一检测器包含配置成用来提供所述电场并检测所述电子信号的第一电极，且所述第一电极包含绕所述光轴对称形成的中心开口。
4.如权利要求2所述的粒子-光学装置，其特征在于所述第一检测器包含配置成用来提供所述电场并检测所述电子信号的第一电极，且所述第一电极包含绕所述光轴对称形成的中心开口。
5.如权利要求1所述的粒子-光学装置，还包括配置成用来收集因气体与所述电子的相互作用而在气体中释放的离子的离子收集器。
6.如权利要求1所述的粒子-光学装置，还包括配置成用来检测由气体与所述电子之间的相互作用在气体中释放的如离子等第二带电粒子的第二检测器。
7.如权利要求5所述的粒子-光学装置，其特征在于所述第二检测器包含第二电极，其中所述第二电极位于所述样品和所述第一检测器之间，且所述第二电极包含绕所述光轴对称设置的中心开口。
9.如权利要求1所述的粒子-光学装置，其特征在于所述样品保持具包含第三检测器。
10.如权利要求1所述的粒子-光学装置，其特征在于还包括配置成用来检测因所述气体和所述电子之间的相互作用而产生的光子的第四检测器。
11.如权利要求1所述的粒子-光学装置，其特征在于还包括配置成用来在电气上偏置所述样品以影响所述检测空间内的所述场的装置。
12.如权利要求1所述的粒子-光学装置，其特征在于还包括配置成用来检测带电粒子并基于所述检测提供信号的多个其它检测器，以及用以提供由任意一个或多个所述多个其它检测器以及所述第一探测器提供的至少两个信号构成的输出信号的装置。
13.如权利要求1所述的粒子-光学装置，其特征在于所述电场的横向分量为2*m*(E/M)^2/q2大于所述气体的电离能，式中m为电子的质量、q为电子的电荷。
14.如权利要求1所述的粒子-光学装置，其特征在于所述电场的横向分量使所述装置工作在提供磁控管增强放大的放大区域。
15.如权利要求2所述的粒子-光学装置，其特征在于所述电场的横向分量使所述装置工作在提供磁彭宁增强放大和磁控管增强放大之组合的放大区域。
16.如权利要求1所述的粒子-光学装置，其特征在于所述电场的横向分量使气体放大率大于2000。
17.如权利要求1所述的粒子-光学装置，其特征在于所述电场的横向分量使气体放大率大于5000。
18.如权利要求1所述的粒子-光学装置，其特征在于所述电场的横向分量使气体放大率大于10000。
19.一种在粒子-光学装置中用作第一检测器的、包括环状电极和放大器的检测器，所述粒子-光学装置包括配置成用来安放样品的样品保持具；配置成产生用来照射所述样品的沿光轴的第一带电粒子的初级粒子束的粒子源；所述第一检测器；至少由所述样品保持具和所述第一检测器形成的检测空间；以及配置成用来在所述样品保持具的附近提供用以聚焦所述初级粒子束的磁场的浸没透镜，其中所述第一检测器配置成用来在所述检测空间内提供电场并检测因所述照射而从所述样品发出的如次级电子等电子，并且所述检测空间设置成包含气体，所述第一检测器和所述浸没透镜配置成提供所述电场和所述磁场，使所述检测空间包含其中所述电场与所述磁场成横向的第一部分。
20.一种在粒子-光学装置内检测电子信号的方法，其中，利用带电粒子的初级粒子束照射样品并通过所述照射从所述样品中释放次级电子，其中所述次级电子向检测器以及至少由所述检测器和所述样品形成的检测空间加速，所述检测空间中包含气体，且浸没透镜在所述检测空间内提供磁场，所述电场和所述磁场配置成使所述检测空间至少包括一个其中所述电场与所述磁场成横向的部分。
全文摘要
一种粒子－光学装置，其中包括用以安放样品的样品保持具；用以产生沿光轴用以照射样品的第一带电粒子的初级粒子束的粒子源；用以检测由于照射从样品发出的第二带电粒子的第一检测器；至少由样品保持具和第一检测器形成的检测空间；以及用以在样品保持具附近提供用以聚焦初级粒子束的磁场的浸没透镜，第一检测器体用以在检测空间内提供电场，检测空间中包含气体。
文档编号G03F1/00GK1695222SQ03825121
公开日2005年11月9日 申请日期2003年9月18日 优先权日2002年9月18日
发明者J·J·肖尔茨, W·R·诺尔斯, B·L·蒂尔, G·范韦恩, R·P·M·施勒姆格斯 申请人:Fei公司