一种低能扫描电子显微镜系统的制作方法

本实用新型涉及扫描电子显微镜技术，尤其涉及一种低能扫描电子显微镜系统

背景技术：

扫描电子显微镜广泛应用于观察样品在微米或纳米尺寸范围的特征；在观察生物样品或半导体样品等非金属样品时，低落点能量(能量小于3keV)扫描电子显微镜由于能够减少对样品的损伤和电荷效应而广泛应用。

一方面，低落点能量条件下，探测的样品多为非导电材料，为了防止荷电效应或损伤样品，入射的扫描电子束束流通常很小，只有几百pA甚至几pA，因此从样品激发的信号电子很少；为了保证成像质量，探测器需要尽可能多的收集信号电子，并且信号电子收集效率影响成像速度，即信号电子收集效率影响扫描电子显微镜通量；因此，提高信号电子的收集效率是至关重要的。

另一方面，入射电子束在样品上激发产生的信号电子中，能量小于50eV的为二次电子(Secondary Electrons，SE)，能量接近入射电子的为背散射电子(Back-scatter Electrons，BSE)。二次电子能够表征样品的形貌特征，背散射电子由于与被观察材料的原子序数有关更多的表征样品的材料信息，相对于样品面小角度发射的背散射电子受到了样品表面起伏的影响，也会反映出样品表面形貌的信息。因此，不同类别的信号电子、不同角度出射的背散射电子反映不同的样品信息。尤其对于生物样品，由于被重金属染色，使得纯的背散射电子图像更有助于表征样品的结构。因此，通过分别探测二次电子和背散射电子，能够形成更好衬度的图像，有助于区别样品结构。

目前，在低落点能量条件下，尚不存在同时满足分辨率高、信号电子收集效率达到100％或接近100％、能够灵活探测不同发射角度的背散射电子、并能够灵活的控制接收的信号电子的类别等要求的扫描电子显微镜。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种低能扫描电子显微镜系统，在保持低能扫描电子显微镜系统高分辨率的同时，提高信号电子的收集效率，灵活的控制接收的信号电子的类别。

本实用新型提供一种低能扫描电子显微镜系统，包括：

用于产生电子束的电子源；

用于增加所述电子束的运动速度的电子加速结构；

由电透镜和磁透镜构成，用于对经所述电子加速结构加速的电子束进行汇聚的复合物镜；

位于所述磁透镜的内壁与所述电子束的光轴之间，用于改变经所述电子加速结构加速的电子束的运动方向的偏转装置；

包括用于接收电子束作用于样品上产生的二次电子和背散射电子的第一子探测装置、以及用于接收所述背散射电子的第二子探测装置的探测装置；

用于改变所述二次电子和所述背散射电子的运动方向的控制装置；

由第二子探测装置、样品台和控制电极构成，用于减小所述电子束的运动速度，并改变所述二次电子和所述背散射电子的运动方向的电透镜。

上述方案中，所述电子加速结构为一阳极。

上述方案中，所述电子加速结构包括阳极和高压管，所述高压管，分别与所述阳极、所述第二子探测装置连接。

上述方案中，还包括：

用于改变经所述加速结构后的电子束的特征的电子束调节装置。

上述方案中，所述电子束调节装置包括：汇聚装置和/或光阑；其中

所述汇聚装置，用于对经所述电子加速结构加速后的电子束进行汇聚。

所述光阑，用于对电子束进行过滤，所述光阑的中心位于所述光轴。

上述方案中，所述第一子探测装置，位于所述阳极与所述磁透镜之间，靠近所述磁透镜方向；

所述第二子探测装置，位于所述磁透镜的下方，靠近所述磁透镜的极靴。

上述方案中，所述第一子探测装置，位于所述阳极与所述磁透镜之间，靠近所述磁透镜方向；

所述第二子探测装置，位于所述磁透镜的下方，与所述高压管的下端面相连。

上述方案中，所述控制装置包括：多极电偏转器和多极磁偏转器。

上述方案中，所述磁透镜为电流线圈激励的浸没式磁透镜，所述磁透镜的极靴开口方向朝向所述样品。

上述方案中，所述第一子探测装置的中心孔直径不大于1毫米。

上述方案中，所述第二子探测装置的中心孔直径小于所述控制电极的中心孔直径。

上述方案中，所述电子源的电压值V1＜-5kV，所述阳极的电压值为零。

上述方案中，所述第二子探测装置处于地电位，所述样品台的电压值为V2，V1＜V2＜-5kV，所述控制电极的电压值V3支持调节，V3≤0kV。

上述方案中，所述电子源的电压值V1＜0kV，所述阳极的电压值与所述高压管的电压值均为V4，V4＞+5kV。

上述方案中，所述第二子探测装置电压值为V4，所述样品台的电压值为V2，V1＜V2≤0kV，所述控制电极的电压值V3支持调节，V3≤V4。

上述方案中，在所述控制电极的电压值V3，大于构成所述电透镜的第二子探测装置的电压值、并且小于构成所述电透镜的样品台的电压值V2时，

所述第一子探测装置，具体用于接收二次电子以及出射方向相对于样品表面的角度大于第一阈值的背散射电子；

所述第二子探测装置，具体用于接收出射方向相对于样品表面的角度小于第一阈值的背散射电子。

上述方案中，所述控制电透镜中控制电极的电压值V3比所述样品台的电压值V2至少小于50V时，

所述第一子探测装置，具体用于仅接收出射方向相对于样品表面的角度大于第一阈值的背散射电子；

所述第二子探测装置，具体用于仅接收出射方向相对于样品表面的角度小于第一阈值的背散射电子。

上述方案中，还包括：

与所述第一子探测装置和/或第二子探测装置连接，用于对所述第一子探测装置基于接收的二次电子和/或背散射电子产生的第一信号进行处理，和/或用于对所述第二子探测装置基于接收的背散射电子产生的第二信号进行处理的信号处理装置。

上述方案中，所述信号处理装置包括：

用于对所述第一信号，和/或所述第二信号进行放大的信号放大子装置；

用于对经放大后的第一信号和/或第二信号进行处理的信号处理子装置。

上述方案中，所述信号处理装置还包括：

用于对经所述信号处理子装置处理后的第一信号和经所述信号处理子装置处理后的第二信号进行合成处理，形成复合图像的信号合成子装置。

本实用新型实施例中，通过控制电子源、电子加速结构、第二子探测装置、控制电极及样品台的电压，使得电子束到达样品的落点能量小于5keV；由电透镜和磁透镜构成的复合物镜提高了扫描电子显微镜系统的分辨率；通过电透镜与控制装置的协同作用，使得对信号电子的收集效率接近或达到100％；并且，通过调节控制电极的电压值，可灵活的控制接收的信号电子的类别和特定角度出射的背散射电子。

附图说明

图1是本实用新型实施例一低能扫描电子显微镜系统的组成结构示意图；

图2为本实用新型实施例一探测器接收信号电子的示意图；

图3a为本实用新型实施例一电透镜场示意图一；

图3b为本实用新型实施例一电透镜场示意图二；

图4为本实用新型实施例二低能扫描电子显微镜系统的组成结构示意图；

图5a为本实用新型实施例三低能扫描电子显微镜系统的组成结构示意图一；

图5b为本实用新型实施例三低能扫描电子显微镜系统的组成结构示意图二；

图6为本实用新型实施例四低能扫描电子显微镜系统的组成结构示意图；

图7为本实用新型实施例四探测器接收信号电子的示意图；

图8a为本实用新型实施例四电透镜场示意图一；

图8b为本实用新型实施例四电透镜场示意图二；

图9为本实用新型实施例五低能扫描电子显微镜系统的组成结构示意图；

图10a为本实用新型实施例六低能扫描电子显微镜系统的组成结构示意图一；

图10b为本实用新型实施例六低能扫描电子显微镜系统的组成结构示意图二；

图11为本实用新型实施例七低能扫描电子显微镜系统的组成结构示意图；

图12为本实用新型实施例八一种样品探测方法的处理流程示意图；

图13为本实用新型实施例九一种样品探测方法的处理流程示意图。

具体实施模式

以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

对本实用新型进行进一步详细说明之前，对本实用新型实施例中涉及的名词和术语进行说明，本实用新型实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释。

1)空间电荷效应，电子光学系统中，由于电子之间具有库伦作用力而造成电子束的“膨胀”，增加电子束成像系统的像差的现象；尤其在电子束形成交叉束斑时，电子在交叉束斑处的密度极大，电子之间的相互距离很小，由于库伦力与电子间的距离的平方成反比，因此，较大的库仑力会导致电子束的聚焦束斑扩大。

2)初始电子束，由电子源产生的、到达样品之间的电子束为初始电子束。

3)信号电子，电子束作用到样品上产生的电子，包括：二次电子和背散射电子。

4)光轴，电子束的光学中心轴。

5)发射角度，是指信号电子的出射方向与样品表面之间的夹角。

需要说明的是，在本实用新型的附图中，信号电子在磁场的作用下，沿光轴旋转的运动轨迹没有被标示出来，仅标示信号电子在光轴所在子午面上的轨迹。

相关技术中，在低落点能量条件下，单一磁透镜或单一电透镜的像差明显增加，由于电透镜能够部分补偿磁透镜的像差，因此，提供一种扫描电子显微镜，使用电透镜和磁透镜组成的复合物镜，以减小像差，进而提高扫描电子显微镜的分辨率。在一可选实施例中，扫描电子显微镜具有高压管结构，物镜中的高压管作为电透镜的一个电极，电子源出射的初始电子束在高压管中能够维持较高的速度，并在接近样品时，受到高压管和样品组成的电透镜的影响而减小速度。在高压管和样品之间的另一个可选电极作为电透镜的中间级，电透镜产生的电场和磁透镜产生的磁场重叠或相连，使得低落点能量下，电透镜和磁透镜构成的复合物镜能够提高扫描电子显微镜的分辨率，提高扫描电子显微镜的性能。

相关技术中，为提高扫描电子显微镜的分辨率，提供一种扫描电子显微镜，利用磁透镜极靴作为电透镜的一个电极，在样品上施加负电压，以在样品和磁透镜之间形成减速电场，使得电子源出射的初始电子束在磁透镜和样品之间被减速。在磁透镜和样品之间的另一个可选电极作为电透镜的中间级。在该扫描电子显微镜中，在物镜上方放置一镜中探测器，该镜中探测器也称为in-column探测器。相比于传统的镜外探测器，由于镜中探测器不占据物镜和样品之间的空间，因此物镜的工作距离可以尽可能的小，从而使扫描电子显微镜能够保持较高的分辨率。

并且，从样品激发的二次电子被复合物镜中的静电场吸引，形成一个交叉斑，通过物镜被镜中探测器收集。由于二次电子能量很低，小于50eV甚至5eV，因此，几乎所有的二次电子都能被镜中探测器收集，仅有少数电子通过镜中探测器的中心孔而未被收集，提高了二次电子的收集效率。但是，由于背散射电子能量较高，不容易被电透镜吸引，出射方向相对于样品面的发射角小的背散射电子，不能被镜中探测器收集，入射到物镜内表面或物镜之外，因此，镜中探测器对于背散射电子的探测效率很低。

相关技术中，为提高背散射电子的探测效率，还提供一个可选实施例，包括：在高压管接近样品的一端放置用于收集小角度发射的背散射电子的背散射电子探测器，并作为电透镜的一个电极；背散射电子探测器收集发射角度小的纯的背散射电子信号；所有的二次电子和大角度发射的背散射电子穿过背散射电子探测器的中心孔，被放置在物镜上方的镜中探测器探测。相关技术中，还提供另一个可选实施例，包括：将背散射电子探测器放置在高压管中，用来收集小角度发射的背散射电子，二次电子被吸引通过背散射电子探测器的中心孔，被放置在物镜上方的二次电子探测器探测，或者将背散射电子探测器放置在磁透镜中，且位于二次电子探测器的下方。上述实施例所涉及的角度是指背散射电子的出射方向相对于样品表面的角度。

但是，上述实施方式中至少存在如下比较明显的技术问题，在低落点能量条件下，要求扫描电子显微镜具有较高的通量，及较高的二次电子和背散射电子探测效率；而上述实施方式中，背散射电子束由初始电子束在样品表面激发后，直接入射至物镜外的背散射电子探测器上；由于低落点能量下，背散射电子的能量低至小于3keV，使得入射到背散射电子探测器上的背散射电子激发的信号较弱，背散射电子探测器的增益较小。或者，背散射电子被电场加速后入射至背散射电子探测器上时，由于部分二次电子和背散射电子从最上方探测器的中心孔逃离，降低了二次电子和背散射电子的探测率。另外，由于不同发射角度的背散射电子能够表征样品不同维度的信息，出射角度相对样品表面的角度小的背散射电子能够表征样品的形貌信息，出射角度相对样品表面的角度大的背散射电子能够表征样品的材料信息。对于给定的落点能量，由于电场的强度、磁场的强度、以及背散射电子探测器的位置是固定的，因此，无法通过改变背散射电子的运功路径，来实现背散射电子探测器对特定发射角度的背散射电子的探测。

在又一可选实施方式中，背散射电子探测器具有几个环形的探测通道，用于区分不同发射角度的背散射电子。但是，具有该结构的背散射电子探测器相对复杂，选择性的收集不同落点能量、不同发射角度的背散射电子的灵活性差。

实施例一

针对上述问题，本实用新型实施例一提供一种低能扫描电子显微镜系统，扫描电子显微镜系统的组成结构，如图3所示，包括：电子源101、电子加速结构、由磁透镜107和电透镜10构成的复合物镜11、偏转装置106、以及探测装置105；其中，

所述电子源101，用于产生电子束；在一可选实施方式中，所述电子源为场致发射的电子源，如热场发射的电子源、或冷场发射的电子源，与钨丝和六硼化镧材料制作的热发射源相比，具有更好的电流密度和亮度，并且具有更小的虚源，能够减小电子束聚焦于样品上产生束斑的大小，提高扫描电子显微镜系统探测样品的分辨率。

所述电子加速结构为阳极102，沿着电子束发射方向，位于所述电子源101的下方，用于形成一电场，增加所述电子束的运动速度。相关技术中，扫描电子显微镜的阳极和电子源之间，通常包括至少一个吸取极；本实用新型实施例中，所述电子源101产生的电子束直接经阳极场致发射，并控制所述阳极102与所述电子源101的发射尖的距离尽可能小，有助于减小电子束的能散，进而减小空间电荷效应对电子源101发射的电子束的影响。本实用新型实施例中，电子束通过阳极加速后，在进入复合物镜11形成的聚焦场附近，均能够保持较高的能量，也减小了空间电荷效应对电子源101发射的电子束的影响。

本实用新型实施例中，所述电子源101的电压值V1＜-5kV，V1的典型值为-10kV；所述阳极102接地，电压值为零，所述电子源101产生的电子束经过阳极102之后，运动速度会增加。

所述偏转装置106，位于所述磁透镜107内壁与所述电子束的光轴110之间，用于改变入射到所述样品前的电子束的运动方向。所述偏转装置106至少包括：第一偏转器106a和第二偏转器106b，也可以有更多的偏转器参与进来进行初始电子的扫描。第一偏转器106a、第二偏转器106b均可以是磁偏转器或电偏转器；第一偏转器106a和第二偏转器106b位于磁透镜物镜中，第一偏转器106a和第二偏转器106b配合作用，并且靠近磁透镜场，有助于降低大扫描场时扫描场边沿的像差。第一偏转器106a和第二偏转器106b通常为多极的磁偏转器或电偏转器，例如4极、8极、12极、16极等，能够产生任意偏转方向的扫描场。本实用新型实施例中，由于阳极102到背散射电子探测器105b的电子束路径上的元件均接地，因此优选静电偏转器，静电偏转器相比于磁偏转器速度更快，更有利于实现高速的电子束扫描，有助于提高电子束显微镜的成像速度。

所述探测装置105，包括用于接收初始电子束作用于样品上产生的二次电子和背散射电子的第一子探测装置105a、用于接收所述背散射电子的第二子探测装置105b、以及用于改变所述二次电子和所述背散射电子的运动方向的控制装置105c。

在一可选实施例中，所述第一子探测装置105a为中心探测器，位于所述磁透镜107的上方。所述第二子探测装置105b为背散射电子探测器，位于所述磁透镜107的下方，并紧贴所述磁透镜107的极靴。

所述中心探测器105a和背散射电子探测器105b是带有中心孔的圆形探测器，均可以是半导体探测器、雪崩式探测器或闪烁体和光导管组成的探测器。背散射电子探测器105b的厚度较薄，被控制在2mm甚至1mm以下，以避免过多的占用所述磁透镜107和样品台109之间的空间，保证物镜和样品之间的工作距离较小从而保证较高的分辨率；所述中心探测器105a中心孔直径Φ2≤1mm，以提高信号电子的接收效率。

在一可选实施例中，所述控制装置105c，位于第一子探测装置105a的下方，第二子探测装置105b的上方。所述控制装置105c由电偏转器和磁偏转器构成，电偏转器和磁偏转器产生复合的电磁场；其中，电场强度的大小和方向、磁场强度的大小和方向均与初始电子束的速度有关。在一优选实施方式中，所述控制装置105c的功能可由韦恩分析器实现。

控制装置105c中的电偏转器产生一电场，初始电子受到的电场力为：

Fe＝qE (1)；

其中，q为带电粒子的带电量，E为电场强度。

同时，控制装置105c中的磁偏转器产生一个垂直于电场强度的磁场，初始电子受到的洛伦兹力为：

Fm＝qv × B (2)；

其中，B为磁感应强度，v为带电粒子的速度。

对于初始电子束，电子束在受到电场力Fe作用的同时，还受到一个相反方向的Fm磁场力的作用，电场力与磁场力的作用力平衡，不对初始电子造成偏转。

对于初始电子束作用到样品上产生的信号电子，经过韦恩分析器时，由于洛伦兹力与电子的移动方向有关，电场力与电子的移动方向无关，因此，信号电子的入射方向变得相反，此时洛伦兹力Fm与电场力Fe变为相同的方向，信号电子受到二者合力的作用向电场力的方向偏转。

在一可选实施方式中，韦恩分析器中的电偏转器为包含有多个静电极的多极型结构，韦恩分析器中的磁偏转器为包含有多个磁极的多极型结构；例如4极、8极、12极、16极等，如此，能够产生沿光轴360度旋转分布的任意方向的平衡的电场和磁场，进而控制信号电子沿光轴360度旋转的任意方向进行偏转。

本实用新型实施例中，所述复合物镜11包括：磁透镜107、电透镜10；其中，所述磁透镜107优选为电流线圈激励的浸没式磁透镜，由导线绕成激励线圈外部有磁性材料制成的壳体，所述磁透镜107的开口处即为磁透镜的极靴，极靴的开口方向朝向样品，样品面位于所述磁透镜107的Z向磁场的最强处附近。相关技术中。非浸没式磁透镜极的靴开口处，朝向电子束的光轴110方向，并且磁透镜的聚焦场距离样品面较远。因此，本实用新型实施例中浸没式磁透镜107的成像像差，相比较相关技术中的非浸没式磁透镜的成像像差更小，提高扫描电子显微镜系统的分辨率。

本实用新型实施例中，所述电透镜10由第二子探测装置105b、样品台109和控制电极108构成。

在一可选实施方式中，所述第二子探测装置105b为背散射电子探测器，位于所述磁透镜107的下方，并紧贴所述磁透镜107的极靴。所述控制电极108带有中心孔，所述控制电极108位于所述第二子探测装置105b和所述样品台109之间。

在一可选实施方式中，所述电透镜10为一个减速的阴极透镜，用于减小经阳极加速后的电子束的运动速度，以及控制信号电子的运动路径；所述第二子探测装置105b处于地电位，即第二子探测装置105b的电压值为零，电子束从阳极102到第二子探测装置105b所经过的路径的电压值均为地电位；样品台109的电压值V2为V1＜V2＜-5kV，样品放置在样品台109上后，具有与样品台109相同或相近的电压值。所述控制电极108的电压值V3可调节，控制电极108的电压值V3≤0kV。通过调节控制电极108的电压值，调整减速电透镜场的分布，从而影响初始电子束的聚焦情况，以及初始电子束作用于样品上产生的信号电子的轨迹。因此，带电子源101产生的电子束经阳极102加速后，被所述电透镜10减速聚焦至样品，所述样品放置于样品台。可以为半导体样品、导体样品、不导电样品等。同时，电透镜10可以补偿磁透镜107的部分像差，提高扫描电子显微镜的分辨率。

本实用新型实施例中，初始电子束在样品上激发产生的信号电子包括二次电子和背散射电子，在磁透镜107的磁场和电透镜10的电场作用下，二次电子和背散射电子的轨迹都会受到影响。在磁透镜107的磁场和电场的共同作用下，原本直线发出的背散射电子受到沿指向光轴110方向(r向)的作用力，在从样品面发出到被背散射电子的运动轨迹逐渐靠近光轴110。

在特定落点能量条件下，即样品上电位V₂确定情况下，控制电极上电压V₃设置为特定值时，背散射电子从样品面发出到被探测装置接收之间，背散射电子的运动路径不存在交叉点；除非在非常低(小于50eV)的落点能量时候，背散射电子能量和二次电子能量特别接近，由于受到电磁场的作用，背散射电子的轨迹会形成交叉点而穿过背散射电子探测器的中心孔。在电磁场的强烈作用下，由于二次电子能量过小(小于50eV)，使得二次电子刚从样品表面发出，其运动轨迹便在样品与背散射电子探测器之间，或背散射电子探测器孔附近形成交叉点。在背散射电子探测器中心孔直径Φ1的值在特定范围内时，二次电子能够全部从背散射电子探测器中心孔穿过而不被探测，甚至接近样品表面平行发出的二次电子都会受电磁场作用穿过背散射电子中心孔而被探测到。此时，发射角度小的背散射电子，由于受到朝向光轴110的力而向光轴110中心汇聚；在合适的物镜场条件下，即使发射角度接近于零的背散射电子也能被背散射电子探测器105b探测。另外，发射角度大的背散射电子，即靠近光轴110发出的背散射电子，会穿过背散射电子探测器105b的中心孔，被中心探测器105a探测到。背散射电子探测器105b的中心孔Φ1被设置在数个mm的量级。初始电子束作用于样品表面产生的信号电子，被电透镜10加速并经过韦恩分析器105c的偏转后被探测器105探测；其中，信号电子的一部分直接被105b探测，另一部分被105a探测，二次电子能够完全穿过背散射电子探测器105b的中心孔。

以控制装置105c为韦恩分析器为例，在韦恩分析器105c关闭的情况下，如图2所示，信号电子在被电透镜10加速后，其中，发射角度小的背散射电子完全被背散射电子探测器105b探测；在中心探测器105a的中心孔很小的情况下，几乎所有的二次电子和发射角度大的背散射电子均能够被中心探测器105a探测，仅有少数的二次电子穿过中心探测器105a的中心孔而不能够被探测器105接收。

本实用新型实施例中，在韦恩分析器105c打开的情况下，如图1所示，在韦恩分析器105c产生的电场和磁场合适的情况下，信号电子在被电透镜10加速后，其中，发射角度小的背散射电子完全被背散射电子探测器105b探测，所有的二次电子和发射角度大的背散射电子均被中心探测器105a探测。此时，在韦恩分析器105c的辅助下，探测装置105的探测效率提高至约100％。一方面，由于低落点能量扫描电子显微镜系统中，信号电子的收集效率直接决定了扫描电子显微镜系统的速度。另一方面，通常低落点能量扫描电子束显微镜观察的样品是半导体或有机材料等不良导体，其信号电子的产额相较于良导体差距很大，因此尽可能多的收集信号电子有利于提高电子显微镜的成像速度。再一方面，二次电子和背散射电子都受到电透镜10产生的额外加速场的作用，使得二次电子和背散射电子能量提高约V₂电子伏，会在探测器上产生更高的信号增益，有助于提高低落点能量条件下的电子束成像速度。

由于所述控制电极108的电压值V₃是支持调节的，即控制电极108的电压值V3的大小可根据需要灵活调节；因此通过对控制电极108电压的调节可以灵活的调节电透镜10的场，从而控制背散射电子和二次电子的运动轨迹。如图3a所示，控制电极108电压值V₃在背散射电子探测器电压值和样品台109电压值V₂之间调节时，能够在样品台109与背散射电子探测器105b之间形成一静电透镜场，本实用新型实施例中电透镜场的等势线如图3a中13所示，静电透镜场与物镜的磁场共同对信号电子进行作用；此时，二次电子形成交叉斑完全穿过背散射电子探测器105b的中心孔，出射角度大的背散射电子也穿过背散射电子探测器中心孔105b，并在韦恩分析器105c的作用下，被中心探测器105a探测。出射角度小的背散射电子在电透镜10的作用下，被背散射电子探测器105b探测。并且，由于控制电极108的电压可以连续变化，因此，可以精确的控制在特定角度范围出射的背散射电子被探测器105b探测，而使出射角度大于特定值的背散射电子穿过探测器105b探测的中心孔，被105a探测器捕获。

由于不同角度发出的背散射电子所携带的材料信息有所区别，发射角度小的背散射电子受到了样品表面起伏的影响，能够表征样品表面形貌的信息；发射角度大的(接近90°)背散射电子，即靠近光轴110的背散射电子能够表征样品材料的信息。因此通过对控制电极108电压值的调整，能够控制发射角度在特定值内的背散射电子被探测器105b探测，进而决定背散射电子探测器105b获得的背散射电子图像更能够表征样品的材料信息，还是更能够表征样品表面形貌的信息。另外，由于样品本身的差异，初始电子束作用于样品后产生的背散射电子的发射角度也有不同，可通过灵活的选择探测背散射电子而获得最佳的背散射电子对比度图像。因此，通过控制电极108可灵活的控制复合物镜11中电透镜的电场，也可以灵活的选择要探测的信号电子的类型和分布角度；使用一个背散射电子探测器105b即可选择捕获特定角度范围内发出的背散射电子，与相关技术中将背散射电子探测器分成带有数个探测通道的环带相比，更能够适应于选择捕获不同角度范围内背散射电子的要求，降低了探测器的复杂度。

本实用新型实施例中，当控制电极108电压值V₃相比于样品台109电压值V₂小至少50V时，静电场分布发生变化如图3b所示，形成一个在控制电极108和样品台109之间的对电子向下力的电场，14为该实施例下电场等势线；二次电子被向下电场压制不能向上，返回到样品上；背散射电子受r方向向外的力；因此，发射角度小的背散射电子也可以被背散射电子探测器105b探测，更大发射角度的背散射电子被中心探测器105a探测，中心探测器105a和背散射电子探测器105b获取的是不同出射角度的纯的背散射电子，不存在二次电子。

因此，通过控制电极108灵活的控制电透镜10的电场，也可以灵活的选择中心探测器105a探测到电子的类型，进而选择探测单独的背散射电子、或者探测包含背散射电子和二次电子的信号电子。与相关技术中在中心探测器前面增加带有可调滤网用于获得纯背散射电子信息相比，本实用新型实施例降低了探测装置的复杂度。

综上，通过调节控制电极108，能够选择探测不同出射角度的背散射电子、单独的背散射电子、或背散射电子和二次电子混合信息、或单独的二次电子，从而提高了低落点能量条件下探测信号电子的灵活性。

可以看出，本实用新型实施例中，电子源101产生的电子束聚焦到样品上形成一个聚焦点或交叉束斑，在电子源101和样品109之间的路径上，没有产生其他的聚焦点或交叉束斑；电子束从经过阳极102到接近复合物镜的透镜场前，电子束均保持一个较高的能量；如果电子源101的电压V1的值为-10kV，初始电子在接近符合物镜场前的光学路径上均保持10keV的能量，并且未形成其他的聚焦点或交叉斑，如此，有效地减小了空间电荷效应对光学系统的影响。

实施例二

本实用新型实施例二所提供的低能扫描电子显微镜系统与本实用新型实施例一所提供的扫描电子显微镜系统相似，不同之处在于，本实用新型实施例二提供的扫描电子显微镜系统的组成结构，还包括电子束调节装置，沿光轴110方向设置于阳极102的下方，用于改变经阳极102后的电子束的特征；所述电子束的特征至少包括：电子束的束流密度和电子束的直径。

在一可选实施方式中，如图4所示，所述电子束调节装置为汇聚装置103，沿着初始电子束的出射方向设置于阳极102的下方，用于对被阳极加速的电子束进行汇聚，即改变电子束的发射张角，进而控制电子束到达样品的束流密度，并且电子束经过汇聚装置103后不形成交叉斑。

在一优选实施方式中，汇聚装置103为电激励的磁透镜，汇聚装置103的聚焦磁场可以连续调节。

实施例三

本实用新型实施例三所提供的低能扫描电子显微镜系统与本实用新型实施例一、实施例二所提供的低能扫描电子显微镜系统相似。不同之处在于，本实用新型实施例三提供的低能扫描电子显微镜系统的组成结构，如图5a所示，与本实用新型实施例一提供的低能扫描电子显微镜系统相比，电子束调节装置为光阑104，所述光阑104沿光轴方向位于所述阳极的下方，用于对经过阳极102的电子束进行过滤。

或本实用新型实施例三提供的低能扫描电子显微镜系统的组成结构，如图5b所示，与本实用新型实施例二提供的低能扫描电子显微镜系统相比，电子束调节装置还包括光阑104，沿光轴方向，位于所述汇聚装置103的下方，用于对经过汇聚装置103的电子束进行过滤，电子源101产生的电子束经阳极102、汇聚装置103和光阑104后，沿着光轴110向下运动。

实施例四

本实用新型实施例四提供的低能扫描电子显微镜系统，与本实用新型实施例一提供的低能扫描电子显微镜系统相似，如图6所示，不同之处在于，本实用新型实施例四所示的低能扫描电子显微镜系统的电子加速结构包括：阳极102和高压管401；

本实用新型实施例中，由于阳极102到背散射电子探测器105b的这一路径中，电子束在高压管中保持高速，高压管上施加了电压值为V₄的高压，所以偏转装置106优选使用磁偏转器。

本实用新型实施例中，电子加速结构由阳极102和高压管401构成，高压管401分别与阳极102和第二子探测装置105b连接，电子源101的电压值V1<0kV，阳极102的电压值与高压管401的电压值均为V4，V4>+5kV；电透镜10为一个减速的阴极透镜，用于减小经阳极加速后的电子束的运动速度，以及控制信号电子的运动路径；所述第二子探测装置105b的电压值为V4，电子束从阳极102到第二子探测装置105b所经过的路径的电压值均为V4；样品台109的电压值V2为V₁<V₂≤0kV，样品放置在样品台109上后，具有与样品台109相同或相近的电压值。所述控制电极108的电压值V3可调节，控制电极108的电压值V3≤V4。通过调节控制电极108的电压值，调整减速电透镜场的分布，从而影响初始电子束的聚焦情况，以及初始电子束作用于样品上产生的信号电子的轨迹。

以控制装置105c为韦恩分析器为例，在韦恩分析器105c关闭的情况下，如图7所示，信号电子在被电透镜10加速后，其中，出射角度小的背散射电子完全被背散射电子探测器105b探测；在中心探测器105a的中心孔很小的情况下，几乎所有的二次电子和出射角度大的背散射电子被中心探测器105a探测，仅有少数的二次电子穿过中心探测器105a的中心孔而不被探测。在韦恩分析器105c打开的情况下，如图6所示，在韦恩分析器105c产生的电场和磁场合适的情况下，信号电子在被电透镜10加速后，其中，出射角度小的背散射电子完全被背散射电子探测器105b探测；所有的二次电子和出射角度大的背散射电子被中心探测器105a探测。因此，分析器105c将探测效率提高至约100％。低能扫描电子束显微镜中，信号电子的收集效率直接决定了扫描电子显微镜的速度，并且通常低能扫描电子束显微镜观察的样品是半导体或有机材料不良导体，其信号电子产额相较于良导体差距很大，因此尽可能收集信号电子有利于提高电子显微镜的成像速度。另外，二次电子和背散射电子都受到一个阴极电透镜的额外加速场的作用，这个加速场会使得二次电子和背散射电子提高约V₂电子伏，会在探测器上产生更高的信号增益，有助于提高低能条件下的电子束成像速度。

由于所述控制电极108的电压值V₃是支持调节的，即控制电极108的电压值V₃的大小可以调节，因此通过对控制电极108电压的调节可以灵活的调节电透镜10的场，从而控制背散射电子和二次电子的运动轨迹。如图8a所示，控制电极108电压值V₃在背散射电子探测器电压值V₄和样品台109电压值V₂之间调节时，能够在样品台109与背散射电子探测器105b之间形成一静电透镜场，本实用新型实施例中电透镜场的等势线如图8a中21所示，静电透镜场与物镜的磁场共同对信号电子进行作用；此时，二次电子形成交叉斑完全穿过背散射电子探测器105b的中心孔，出射角度大的背散射电子也穿过背散射电子探测器中心孔105b，并在韦恩分析器105c的作用下，被中心探测器105a探测。出射角度小的背散射电子在电透镜10的作用下，被背散射电子探测器105b探测。并且，由于控制电极108的电压可以连续变化，因此，可以精确的控制在特定角度范围出射的背散射电子被探测器105b探测，而使出射角度大于特定值的背散射电子穿过探测器105b的中心孔，被105a探测器捕获。

由于不同角度发出的背散射电子所携带的材料信息有所区别，发射角度小的背散射电子受到了样品表面起伏的影响，能够表征样品表面形貌的信息；发射角度大的(接近90°)背散射电子，即靠近光轴的背散射电子能够表征样品材料的信息。因此通过对控制电极108电压值的调整，能够控制发射角度在特定值内的背散射电子被探测器105b探测，进而决定背散射电子探测器105b获得的背散射电子图像更能够表征样品的材料信息，还是更能够表征样品表面形貌的信息。另外，由于样品本身的差异，初始电子束作用于样品后产生的背散射电子的发射角度也有不同，可通过灵活的选择探测背散射电子而获得最佳的背散射电子对比度图像。因此，通过控制电极108可灵活的控制复合物镜11中电透镜的电场，也可以灵活的选择要探测的信号电子的类型和分布角度；使用一个背散射电子探测器105b即可选择捕获选择角度范围内发出的背散射电子，与相关技术中将背散射电子探测器分成带有数个探测通道的环带相比，更能够适应于选择捕获不同角度范围内背散射电子的要求，降低了探测器的复杂度。

本实用新型实施例中，当控制电极108电压值V₃相比于样品台109电压值V₂小至少50V时，静电场分布发生变化如图8b所示，形成一个在控制电极108和样品台109之间的对电子向下力的电场，22为该实施例下电场等势线；二次电子被向下电场压制不能向上，返回到样品上；背散射电子受r方向向外的力；因此，发射角度小的背散射电子也可以被背散射电子探测器105b探测，更大发射角度的背散射电子被中心探测器105a探测，中心探测器105a和背散射电子探测器105b获取的是不同出射角度的纯的背散射电子，不存在二次电子。

因此，通过控制电极108灵活的控制电透镜10的电场，也可以灵活的选择中心探测器105a探测到电子的类型，进而选择探测单独的背散射电子、或者探测包含背散射电子和二次电子的信号电子。与相关技术中在中心探测器前面增加带有可调滤网用于获得纯背散射电子信息相比，本实用新型实施例降低了探测装置的复杂度。

综上，通过调节控制电极108，能够选择探测不同出射角度的背散射电子、单独的背散射电子、或背散射电子和二次电子混合信息、或单独的二次电子，从而提高了低落点能量条件下探测信号电子的灵活性。

实施例五

本实用新型实施例五所提供的低能扫描电子显微镜系统与本实用新型实施例四所提供的低能扫描电子显微镜系统相似，不同之处在于，本实用新型实施例五提供的低能扫描电子显微镜系统的组成结构，还包括电子束调节装置，沿光轴方向设置于阳极102的下方，用于改变经阳极102后的电子束的特征；所述电子束的特征至少包括：电子束的束流密度和电子束的直径。

在一可选实施方式中，如图9所示，所述电子束调节装置为汇聚装置103，沿着初始电子束的出射方向设置于阳极102的下方，用于对被阳极加速的电子束进行汇聚，即改变电子束的发射张角，进而控制电子束到达样品的束流密度的作用，并且电子束经过汇聚装置103后不形成交叉斑。

在一优选实施方式中，汇聚装置103为电激励的磁透镜，汇聚装置103的聚焦磁场可以连续调节。

实施例六

本实用新型实施例六所提供的低能扫描电子显微镜系统与本实用新型实施例四、实施例五所提供的低能扫描电子显微镜系统相似。不同之处在于，本实用新型实施例六提供的低能扫描电子显微镜系统的组成结构，如图10a所示，与本实用新型实施例四提供的低能扫描电子显微镜系统相比，电子束调节装置为光阑104，所述光阑104沿光轴方向位于所述阳极的下方，用于对经过阳极102的电子束进行过滤。

或本实用新型实施例六提供的低能扫描电子显微镜系统的组成结构，如图10b所示，与本实用新型实施例五提供的低能扫描电子显微镜系统相比，电子束调节装置还包括光阑104，沿光轴方向，位于所述汇聚透镜103的下方，用于对经过汇聚透镜103的电子束进行过滤，电子源101产生的电子束经阳极102、汇聚透镜103和光阑104后，沿着光轴110向下运动。

实施例七

基于上述实施例一至实施例六，本实用新型实施例七提供的低能扫描电子显微镜系统，如图11所示，还包括信号处理装置30，与所述第一子探测装置和/或第二子探测装置连接，用于对所述第一子探测装置基于接收的二次电子和/或背散射电子产生的第一信号进行处理；和/或用于对所述第二子探测装置基于接收的背散射电子产生的第二信号进行处理。

在一可选实施方式中，所述信号处理装置包括：信号放大子装置和信号处理子装置；其中，

信号放大子装置，包括：第一信号放大子装置300a，用于对所述第一信号进行放大；和/或第二信号放大子装置300b，用于对所述第二信号进行放大；

信号处理子装置，包括：第一信号处理子装置301a，用于对经放大后的第一信号进行处理后输出，形成第一图像；和/或第二信号处理子装置301b，用于对经放大后的第二信号进行处理后输出，形成第二图像。

在一可选实施方式中，所述信号处理装置还包括：信号合成子装置，用于对经所述信号处理子装置处理后的第一信号和经所述信号处理子装置处理后的第二信号进行合成处理，形成复合图像。

本实用新型实施例中，可以分别对第一子探测装置输出的信号和第二子探测装置输出的信号进行放大、处理操作，分别产生有针对性探测的二次电子图像或背散射电子图像。也可以利用信号合成子装置302对处理后的第一子探测装置输出的第一信号和处理后的第二子探测装置输出的第二信号进行合成，得到一幅收集率为100％或接近100％的合成图像。

实施例八

基于上述实施例一至实施例七所述的低能扫描电子显微镜系统，本实用新型实施例八还提供一种样品探测方法，所述样品探测方法的处理流程，如图12所示，包括以下步骤：

步骤S101，电子源产生的电子束经电子加速结构后，增加运动速度。

在一可选实施方式中，所述电子加速结构为一阳极，所述电子源的电压值V1<-5kV，阳极接地。

在另一可选实施方式中，所述电子加速结构包括：阳极和高压管，电子源电压值V1<0kV，阳极电压值V4为V4>+5kV，高压管电压值为V4。

所述电子源产生的电子束被所述电子加速结构加速后能量保持大于5keV，典型值为10keV，沿光轴向下运动；向下运动的高能电子束通过汇聚透镜被汇聚，但不形成交叉斑，并通过光阑，两者对电子束的束流大小和束斑直径进行了调整。

步骤S102，经所述电子加速结构加速的电子束，经复合物镜汇聚、电透镜减速、及偏转装置改变运动方向后作用于样品上，产生二次电子和背散射电子。

在一优选实施方式中，运动速度增加的电子束经复合物镜汇聚、电透镜减速以及经偏转装置偏转后，在样品表面扫描，产生二次电子和背散射电子。其中，复合物镜包括：磁透镜和电透镜；所述磁透镜优选为电流线圈激励的浸没式磁透镜，由导线绕成激励线圈外部有磁性材料制成的壳体，所述磁透镜的开口处即为磁透镜的极靴，极靴的开口方向朝向样品，样品面位于所述磁透镜的Z向磁场的最强处附近。相关技术中。非浸没式磁透镜极的靴开口处，朝向电子束的光轴方向，并且磁透镜的聚焦场距离样品面较远。因此，本实用新型实施例中浸没式磁透镜的成像像差，相比较相关技术中的非浸没式磁透镜的成像像差更小，提高扫描电子显微镜系统的分辨率。

在一可选实施方式中，所述电透镜中背散射电子探测器处于地电位，所述样品台的电压值为V2，V1<V2<-5kV，所述控制电极的电压值V3可调，大小为V3≤0kV；从阳极至背散射电子探测器电子束所经路径均为地电位。

在另一可选实施方式中，所述电透镜中背散射电子探测器处于V4电位；样品台的电压值为V1<V2≤0kV；控制电极的电压值V3可调，为V3≤V4。

所述复合物镜中磁透镜产生的聚焦磁场和电透镜产生减速电场形成一复合聚焦场，沿光轴向下运动的高能电子束经过复合聚焦场被汇聚，同时汇聚电子束被所述减速电场减速至能量小于等于5keV聚焦照射到待测样品；低能聚焦电子束在偏转器产生的偏转场作用下，在样品上扫描，产生信号电子，包括二次电子和背散射电子。

步骤S103，所述二次电子和所述背散射电子在所述电透镜及控制装置的作用下，改变运动方向，以被探测装置接收。

在一可选实施方式中，探测装置包括背散射电子探测器和中心探测器，从样品返回的信号电子被电透镜的电场加速，所述控制装置的电压值V3是可连续变化的，当控制装置的电压值V3在背散射电子探测器电压值和样品台电压值V2之间调节时，二次电子和出射角度大于第一阈值的背散射电子被中心探测器探测，出射角度小于第一阈值的背散射电子被背散射电子探测器探测；当控制电极的电压值V3相比样品台电压值V2小至少50V时，二次电子被压制回样品，出射角度大于第一阈值的背散射电子被中心探测器探测，出射角度小于第一阈值的背散射电子被背散射电子探测器探测。这里，第一阈值与背散射电子探测器的位置等属性有关。

在一可选实施方式中，在所述控制装置为韦恩分析器时，通过调节韦恩分析器产生的电场和磁场的强度，提高中心探测器对二次电子和/或背散射电子的收集效率。

综上，通过调节控制装置的电压值，可以选择探测不同出射角度的背散射电子信息、纯背散射电子信息、背散射电子和二次电子混合信息和纯的二次电子信息。

实施例九

本实用新型实施例九提供的样品探测方法，如图13所示，与实施例八提供的样品探测方法相似，不同之处在于，在执行步骤S103之后，还包括：

步骤S104，对中心探测器和/或背散射电子探测器接收的信号电子产生的信号进行处理。

本实用新型实施例中，可以分别对中心探测器接收的信号电子产生的信号，及背散射电子探测器接收的信号电子产生的信号进行放大、处理操作，产生两个有针对性的二次电子图像或背散射电子图像。也可以对背散射电子探测器中的信号和中心探测器中的信号进行处理后，进行合成，得到一幅收集率为100％或接近100％的图像。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施模式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。