專利名稱：用于同時(shí)利用粒子和光子來觀察試樣的粒子-光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種粒子-光學(xué)裝置，它包括真空腔室；粒子-光學(xué) 柱，該粒子-光學(xué)柱安裝在真空腔室上，用于產(chǎn)生圍繞粒子-光學(xué)軸線 的粒子束，所述粒子-光學(xué)柱包括粒子源；試樣載體，該試樣載體位于 真空腔室中，用于將試樣承載在試樣位置，所述試樣位置位于粒子-光 學(xué)軸線上；鏡，該鏡收集從試樣位置發(fā)出的光，或者將光聚焦在試樣 位置上，所述鏡具有圍繞粒子-光學(xué)軸線的通孔；以及抽空裝置，用于 將該裝置抽空。本發(fā)明還涉及一套用于升級(jí)現(xiàn)有裝置的工具，還涉及一種使用這 樣的裝置的方法。
背景技術(shù)：
這樣的裝置由美國專利No. US6885445B2已知。這樣的裝置用于工業(yè)和研究中，例如用于分析和改造試樣，該試 樣諸如是從半導(dǎo)體晶片獲取的試樣，或者例如生物試樣。這樣的裝置可以用來利用粒子束(例如電子或離子束)來照射試 樣。產(chǎn)生該射束的離子-光學(xué)柱本身是已知的，可用于電子掃描顯微鏡 (SEM)、聚焦離子束裝置(FIB)、掃描透射式電子顯微鏡(STEM)、 電子微探針等。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知，通過用精細(xì)聚焦粒子束(例如電子束) 照射試樣可以獲得圖像，該粒子束在試樣上掃描。該照射引起從試樣 上發(fā)出的次級(jí)粒子和輻射，該次級(jí)粒子和輻射可以由合適的檢測器來 檢測。當(dāng)將射束精細(xì)聚焦在試樣上并掃描時(shí)，由檢測器檢測的信號(hào)是 與位置相關(guān)的。該信號(hào)可以通過將其置于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中而轉(zhuǎn)換成圖 像，然后，該存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)可以在顯示器上顯示。還可以對(duì)計(jì)算機(jī)存 儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行某些分析，并顯示這些分析結(jié)果。對(duì)于某些用途，需要用光束照射布置在這種裝置中的試樣，例如 用于引起加熱或引起試樣中的化學(xué)變化。在其它情況下，需要檢測由試樣發(fā)出的光，例如響應(yīng)于粒子束的照射(陰極發(fā)光)，或者響應(yīng)于光的照射(例如拉曼光譜術(shù)、FRET (熒 光共振能量傳遞)或FLIM (熒光壽命成像))。在這兩種情況下，用粒子束照射試樣，同時(shí)在試樣與例如光檢測 器或發(fā)生器之間必須存在光通路。還可以設(shè)想這樣的技術(shù)，其中，試 樣同時(shí)由光照射，且由試樣發(fā)出的光子被分析/檢測，其中，使用例如 分束器來分開進(jìn)入和離開光子的通路。這些已知裝置包括具有粒子-光學(xué)軸線的粒子-光學(xué)柱。試樣可以 定位在處于粒子-光學(xué)軸線處的試樣位置。鏡布置在粒子-光學(xué)柱和試 樣位置之間。該鏡有通孔，供粒子束通過。在鏡之間，光-光學(xué)軸線和 粒子-光學(xué)軸線重合。該鏡(例如拋物面鏡)使得光-光學(xué)軸線偏轉(zhuǎn)一 定角度，例如90°，同時(shí)保持粒子-光學(xué)軸線不變。因此，例如光-光學(xué) 檢測器和/或光的發(fā)生器(例如激光器、LED或普通燈)并不與由粒子-光學(xué)柱和相關(guān)檢測器(例如次級(jí)粒子檢測器或X射線檢測器)所占據(jù)的 容積干涉。當(dāng)使用該裝置來用于例如拉曼光譜術(shù)時(shí)，由該鏡確定的光 通路的數(shù)值孔徑必須較大，因?yàn)樾盘?hào)相當(dāng)弱。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知，帶電粒子在穿過(稀薄)氣體時(shí)很容易 散射。因此，帶電粒子在粒子-光學(xué)柱中運(yùn)行所通過的容積通常被抽空 至壓力低于例如10—4mbar,以避免散射。在這樣低壓下產(chǎn)生的問題是試樣脫水，從而導(dǎo)致矯作物 (artefact)。顯然，當(dāng)試樣置于存在水蒸汽的真空中時(shí)將不會(huì)產(chǎn)生 該效應(yīng)，至少不會(huì)到這種程度。這意味著真空的壓力等于或超過水蒸 汽的平衡壓力。還已知這樣的儀器，其中，試樣在例如8mbar (是水在4。C時(shí)的平 衡壓力)的真空中觀察。這樣的儀器通常稱為環(huán)境掃描電子顯微鏡 (ESEM )或可變壓力掃描電子顯微鏡(VP-SEM)。這種儀器的已知局限是很多粒子從主粒子束向外散射至所謂的裙 區(qū)域。這在"Electron Scattering by gas in the scanning electron microscope" (D丄 Moncrieff等，J. Phys. D: Appl. Phys. Vol. 12 (1979)， P481-488 )中介紹，下文中稱為Moncrief f 。 Moncrieff 在部分4(討論和結(jié)論)中介紹到，在電子束能量為25keV、 lmbar壓力 的氮?dú)?、且工作距離為15mm的情況下，60 / 的電子從射束向外散射。這 意味著只有4 0 %的粒子到達(dá)預(yù)定位置。Moncrieff的圖5表示了在壓力為10mbar且工作距離為大約4mm的 情況下，超過90%的粒子很容易散射。在"The beam-gas and signal-gas interactions in the variable pressure scanning electron microscope" ( C. Mathieu， Scanning Microscopy, Vol. 13， No. 1 (1999)， 23-24頁)中介紹的隨后研究表明，散射效果在較低射束能量下甚至更嚴(yán)重。"X-ray microanalysis in the variable pressure (environmental) scanning electron microscope" ( D.E. Newbury, J. Res. Natl. Inst. Stand. Techn. ， Vol 107 (2002), 567-603頁， 下文中稱為Newbury )介紹，所檢測的信號(hào)(在這里由X射線檢測器檢 測)是由未散射粒子引起的信號(hào)和由散射粒子引起的信號(hào)的組合。當(dāng) 散射粒子能夠在離開預(yù)定位置(未散射粒子束的焦點(diǎn))的裙區(qū)域撞上 試樣時(shí)，信號(hào)由未散射粒子(承載關(guān)于預(yù)定位置的信息)和散射粒子 (承載關(guān)于裙區(qū)域的信息)兩者來產(chǎn)生。因此，由散射粒子引起的信 號(hào)"污染，，了由未散射粒子引起的信號(hào)，這可能產(chǎn)生矯作物，即表示 在預(yù)定位置存在材料，而這些材料實(shí)際上并不存在于該位置，而是在 裙區(qū)域中的某處。當(dāng)散射粒子的比例升高時(shí)，該效應(yīng)更強(qiáng)。盡管Newbury介紹了用于X射線微分析的該效果， <旦是應(yīng)當(dāng)知道， 當(dāng)檢測來自試樣的光子時(shí)(例如檢測來自試樣的陰極發(fā)光)，也會(huì)產(chǎn) 生該效應(yīng)。如Newbury中所述(572頁，左欄)，相關(guān)問題是降低了用例如次 級(jí)粒子檢測器獲得的信號(hào)的信噪比S/N。這可以解釋如下與散射部分 中的流密度相比，射束在未散射部分中的流密度較高。未散射粒子產(chǎn) 生具有很高空間分辨率的信號(hào)，而散射粒子產(chǎn)生的信號(hào)的空間分辨率 低得多，因?yàn)槿箙^(qū)域大得多。因此，即使當(dāng)大部分粒子散射時(shí)，組合 信號(hào)的位置相關(guān)性也足夠獲得分辨率。不過，當(dāng)射束的未散射部分中 的可用粒子越來越少時(shí)，由該部分射束引起的信號(hào)將因此降低。這樣， S/N也降低。散射的效果并沒有在US6885445B2中討論。市場上用于與ESEN^結(jié)合進(jìn)行例如拉曼光譜術(shù)、熒光顯微(FM)、 熒光共振能量傳遞(FRET)或熒光壽命成像(FLIM)的粒子系統(tǒng)通常 使用鏡與試樣位置之間的大約10隨的距離，由于鏡的實(shí)際尺寸較小，同時(shí)獲得較大的光收集角度(較高數(shù)值孔徑N. A.，例如N.A.〉0.24)。 在8mbar的壓力下，25kV粒子束中超過9(T/。的粒子將從射束向外散射至 裙區(qū)域中(見Moncrieff，圖5)。這樣，大部分檢測信號(hào)來自裙區(qū)域， 而并不是來自預(yù)定焦點(diǎn)。這將大大降低由粒子-光學(xué)柱獲得的信號(hào)的 S/N比例，還將使得大部分信號(hào)來自試樣的裙區(qū)域，而不是來自預(yù)定區(qū) 域(未散射射束的焦點(diǎn))。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是在例如8mbar的較高壓力下粒子從粒子束散射 的問題。因此，需要在US6885445B2中所示類型的粒子-光學(xué)裝置，它具有 粒子束在升高壓力下的較低粒子散射。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供這樣一種裝置。因此，本發(fā)明裝置的特征在于隔膜布置在試樣位置和鏡之間， 所述隔膜將第一容積與第二容積分開，該試樣位置位于該第一容積中， 所述隔膜具有圍繞粒子-光學(xué)軸線的孔，用于由粒子-光學(xué)柱產(chǎn)生的粒 子通過且用于該鏡與該試樣位置之間的光通過，該孔將從第一容積流 向第二容積的氣流限制為這樣的值，即，當(dāng)在試樣位置處的壓力是流 體平衡壓力，且平衡壓力大于lmbar時(shí)，該抽空裝置可以將第二容積抽 空至足夠低的壓力，以便當(dāng)與第 一容積中的散射比較時(shí)可以忽略粒子 束在第二容積中的散射，且該孔與該試樣位置之間的距離可以調(diào)節(jié)成 或固定成小于孔的直徑的四倍，優(yōu)選是小于該孔的直徑的兩倍。通過在試樣位置與鏡之間布置隔膜，可以使第 一容積和第二容積 中有不同壓力。該孔限制了氣流，使得該泵吸裝置可以將第二容積抽 空至這樣的值，即，粒子束在該容積中的散射可忽略。在前述ESEN^中， 這通過使孔的直徑例如小于lmm來實(shí)現(xiàn)。更大直徑的該孔將使得氣流太 大，以致于不能通過通常用于該裝置的抽空裝置來抽空，這些抽空裝 置諸如是油擴(kuò)散泵、旋轉(zhuǎn)泵、渦輪分子泵、隔膜泵、牽引泵等。只有在試樣位置與孔之間的區(qū)域，粒子才遇到足夠高的壓力，以 引起顯著散射。不過，由于粒子必須通過該高壓的長度較小，因此散 射是有限的，因?yàn)樯⑸淙Q于粒子經(jīng)過氣體運(yùn)行的長度。還有，該裙 區(qū)域的直徑有限，因?yàn)槠骄鶃碚f，散射發(fā)生在更靠近試樣表面處，從而導(dǎo)致(在給定散射角度下)散射粒子撞上的位置與未散射粒子撞上 的位置之間的距離更小。應(yīng)當(dāng)知道，選擇該孔的直徑小于lmm的另一原因是，當(dāng)從試樣位置 開始從第一容積穿過該孔運(yùn)行至第二容積時(shí)，氣壓的變化并不是突然 變化，而是在大約一個(gè)直徑的長度上發(fā)生變化。因此，超過大約該長 度時(shí)，壓力已經(jīng)足夠高到造成粒子束的顯著散射。還應(yīng)當(dāng)知道，試樣最好布置在距離該孔這樣的距離處，即，在該 處，壓力不會(huì)與第一容積中的其它位置處的壓力相差太大，以避免例 如脫水。如果試樣布置成太靠近孔，直接靠近該孔處的壓力將低于其 它位置的壓力，并可能導(dǎo)致脫水，即使當(dāng)?shù)谝蝗莘e中的壓力控制成例 如存在水蒸汽。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，試樣最好布置在距離大于該孔的直徑的大 約一半的位置處。即使當(dāng)孔具有相當(dāng)小的直徑時(shí)，例如lmm，當(dāng)試樣位置與孔之間的 距離足夠小時(shí)，也可以收集來自試樣且穿過該孔的光。為了獲得較高 數(shù)值孔徑N. A.,例如N. A. >0. 24,需要使試樣位置與孔之間的距離小于 該孔的直徑的兩倍。這時(shí)，該鏡可以布置在孔和粒子源之間，這為鏡 提供了充分空間，且該鏡的尺寸可以很容易實(shí)現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)知道，對(duì)于很多用途，小于O. l的數(shù)值孔徑將不可接受。因此， 距離小于該孔的直徑的四倍(優(yōu)選是小于兩倍)是本發(fā)明裝置的特征。 距離為孔直徑的大約1至2倍似乎是"良好點(diǎn)"，從而在數(shù)值孔徑NA與 試樣位置處的良好壓力預(yù)測之間獲得良好的匹配。不過，當(dāng)需要稍微 更大距離時(shí)(例如由于試樣的形狀，以避免試樣與隔膜接觸，或者例 如當(dāng)需要使粒子-光學(xué)柱有更大的視野，或者為了使檢測人員能夠觀察 試樣)，大于孔的直徑的兩倍的距離，在孔的直徑的兩倍和四倍之間也 為優(yōu)選的。應(yīng)當(dāng)知道，如前所述，在SEM中這樣限制氣流是已知的。在美國專 利No. US4823006B2中介紹的原理用于例如環(huán)境掃描電子顯樣i:鏡 (ESEM )中，該顯樣吏鏡可從美國Hillsboro市的FEI/〉司獲《尋。專利 US4823006B2介紹了將低真空區(qū)域(等效于容積l )和高真空區(qū)域(等 效于容積2)分開的孔，其中，該孔限制這兩個(gè)區(qū)域之間的氣流，從而 使得真空泵能夠?qū)崿F(xiàn)足夠低的壓力，以便能夠忽略電子在高真空區(qū)域 中的散射，同時(shí)，另一側(cè)處于例如20mbar的壓力下(水在室溫下的平衡壓力)。根據(jù)US4823006,該孔的直徑優(yōu)選是在5 0 n m和lmm之間。典 型值為O. 2mm或者更小，以便實(shí)現(xiàn)足夠的氣體節(jié)流。還可以設(shè)想將US4823006B2的裝置與US6885445B2的結(jié)構(gòu)組合。不 過，US6885445B2的鏡的引入將使得試樣位置與該孔(該孔將高真空和 低真空區(qū)域分開)之間的距離增大。該增大的距離又將增加射束的散 射。一種改進(jìn)是將US4823006中所述的孔安裝在US6885445的鏡中。不 過，待檢測的試樣或者安裝其的安裝件通常在與粒子-光學(xué)軸線垂直的 平面中延伸。然后，在一個(gè)端部處的(凹面)鏡朝著試樣或其安裝件 彎曲。為了能夠在鏡和試樣之間有一些間隙，孔和試樣位置之間的距 離將大于孔直徑的兩倍(通常小于大約O. 2mm直徑的兩倍)，因此仍然形成較長通路(粒子束在該通路中散射)，且具有比本發(fā)明裝置更多 的散射。還應(yīng)當(dāng)知道，由美國專利No. US7045791B2中已知一種^義器。在所 述儀器中，粒子-光學(xué)柱包括在試樣位置附近的、對(duì)于光是透明的隔膜。 該透明隔膜表示了具有孔的電極，粒子束能夠通過該孔。該透明隔膜 布置在試樣位置和鏡之間，該鏡具有供粒子束通過的通孔。這里，光 學(xué)通路與穿過該透明隔膜的粒子-光學(xué)軸線同軸，光的光學(xué)通路將通過 所述鏡或其它光-光學(xué)元件而偏離該粒子-光學(xué)軸線。因此，該儀器的 特征在于粒子-光學(xué)柱的粒子有穿過該孔的通路，而光具有穿過透明隔 膜的通路，該通路處于形成有該孔的電纟及的外部。US7045791B2并沒有公開在孔和試樣位置之間的最小距離，也沒有 爿^開該孔的直徑?？梢栽O(shè)想使用該孔作為限制氣流的孔，并使得試樣位置和孔之間 的距離選擇為足夠小，以便減小散射，例如距離小于該孔的直徑的兩 倍，從而獲得與本發(fā)明相當(dāng)?shù)姆桨浮２贿^，在這種情況下，立體角(在 該立體角下看見環(huán)繞孔形成的透明隔膜)；故嚴(yán)重限制，從而在光通路 中產(chǎn)生較差的數(shù)值孔徑N. A.，因此從光-光學(xué)觀點(diǎn)來看是較差的方案。在該裝置實(shí)施例中，該孔的直徑小于lmm，特別是小于300 nm。如前所述，該孔的直徑需要足夠小，以便限制氣體從第一容積流 向第二容積。美國專利No. US4823006B2介紹了孔的直徑小于lmm,通常 為200 ium。在本發(fā)明裝置的另一實(shí)施例中，當(dāng)?shù)谝蝗莘e中的壓力高于大約6mbar時(shí)，該抽空裝置可以將第二容積抽空至足夠低的壓力，以^f更可以 忽略粒子束的散射。利用抽空裝置諸如用于電子顯微鏡中的真空泵(油擴(kuò)散泵、旋轉(zhuǎn) 泵、渦輪分子泵、隔膜泵、牽引泵等)，可以獲得足夠的泵吸，以便 將第二容積抽空至例如O. lmbar的壓力，與在第一容積中產(chǎn)生的散射相 比，在該壓力下的散射大大降低或可以忽略。因?yàn)樗?。C時(shí)的平衡壓 力為大約6mbar，因此，等于或超過該壓力的壓力能夠用于觀察和/或 分析濕試樣。在本發(fā)明裝置的還一實(shí)施例中，該裝置還包括帶電粒子檢測器， 所述檢測器位于隔膜的、與試樣位置相反的一側(cè)(在第二容積中)。這樣的檢測器可以用于檢測從試樣發(fā)出的離子或電子。這種檢測 器是7>知的，例如Everhart-Thornley檢測器。通過將檢測器布置在第 二容積中，不需要在試樣位置和隔膜之間有額外距離。由于較大接受 角(在該角度下，從試樣位置可看見該孔，該較大接受角對(duì)于高數(shù)值 孔徑N. A.來說是必要的)，帶電粒子可以很容易從試樣位置^皮抽取至 第二容積，例如通過電場(該電場存在于孔的、與試樣位置相反的一 側(cè)，并突出該孔)。在本發(fā)明裝置的還一實(shí)施例中，該裝置還包括帶電粒子檢測器， 所述檢測器位于第 一容積中。某些帶電粒子檢測器(例如固態(tài)反向散射電子檢測器)可以很容 易地安裝在隔膜下面。這樣的檢測器例如為薄P-I-N二極管。還有，其 它類型的檢測器(例如X射線檢測器)可以安裝在第一容積中。在本發(fā)明裝置的還一實(shí)施例中，該裝置還包括帶電粒子檢測器， 所述隔膜是該帶電粒子檢測器的一部分。該隔膜可以是帶電粒子檢測器的一部分，例如當(dāng)孔形成于P-I-N二 極管中，且該二極管是該隔膜(的一部分)時(shí)。在本發(fā)明裝置的還一實(shí)施例中，該裝置還包括光子檢測器。這種用于檢測由試樣發(fā)出的光的光子檢測器可以用來檢測陰極發(fā) 光。該檢測器例如為拉曼光譜儀的一部分。該光子檢測器還可以用于 檢測來自熒光標(biāo)簽的輻射(如在例如生物標(biāo)記中那樣)，其中，所述 標(biāo)記附著在生物組織的特定結(jié)構(gòu)上。焚光可以通過由光照射而引起，ii也可以通過用粒子束照射而引起。在本發(fā)明裝置的還一實(shí)施例中，該裝置裝備有光阻擋件，所述光 阻擋件具有用于光通過的孔，該鏡將該試樣位置成像在該孔上，這樣， 除試樣位置之外的其它位置發(fā)出的光不會(huì)對(duì)由光子檢測器檢測的光量 產(chǎn)生顯著貢獻(xiàn)。通過將試樣位置成像在該孔上，從試樣位置發(fā)出的光可以無阻礙 地通過該孔。在其它位置產(chǎn)生的光(雜散光)在大部分情況下將不會(huì) 成像在該孔上，并因此將由光阻擋件阻擋。該成像方法由共焦顯微術(shù)可知。這些"虛光(false )"可能是例如由于帶電粒子與氣體分子 相互作用(非彈性碰撞)而產(chǎn)生的光，但是它也可以是例如來自真空 腔室內(nèi)某處熱點(diǎn)的紅外輻射形式的光，或者例如是從安裝在真空腔室 中的位置測量裝置中的LED發(fā)出的光。還有，來自試樣其它部分的光也 可以由光阻擋件阻擋。在本發(fā)明裝置的另一實(shí)施例中，該裝置裝備有氣體注入器，所述 氣體注入器允許氣體或蒸汽進(jìn)入該真空腔室。允許壓力在例如lmbar與例如10mbar之間的氣體進(jìn)入有應(yīng)用于，例 如，將材料沉積在試樣上或者用帶電粒子束從試樣上蝕刻材料。在本發(fā)明裝置的還一實(shí)施例中，該隔膜具有指向試樣位置的、成 截頭錐形形狀的凸起，且該孔形成于該錐體的、最靠近試樣位置的端部中。該凸起使得該孔能夠布置成靠近試樣位置，同時(shí)例如使試樣能夠 傾斜，或者能夠分析試樣的凹形部分，而不會(huì)使試樣部分與隔膜接觸。在本發(fā)明裝置的還一實(shí)施例中，該光由以下組的光子形成紅外 線、可見光、紫外線和X射線光子。在本發(fā)明裝置的還一實(shí)施例中，粒子-光學(xué)透鏡的極靴位于試樣位 置與鏡之間。粒子-光學(xué)透鏡(例如磁或靜電透鏡)包括所謂的極靴，從而引導(dǎo) 用于該透鏡的磁場和/或電場。這樣的極靴通常為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的金屬部 件。在本實(shí)施例中，該極靴布置在鏡和試樣位置之間，這意味著該鏡 位于該粒子-光學(xué)柱內(nèi)。該實(shí)施例意味著該鏡布置在粒子-光學(xué)柱內(nèi)部。在本發(fā)明裝置的還一實(shí)施例中，該極靴為隔膜。當(dāng)該粒子-光學(xué)柱裝備有例如通氣管透鏡(snorkel lens)時(shí)，該實(shí) 施例特別有利。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知，通氣管透鏡使用靠近試樣位 置的極執(zhí)。在本發(fā)明裝置的還一實(shí)施例中，該鏡位于粒子-光學(xué)柱和孔之間。 在本發(fā)明的一個(gè)方面， 一種操作粒子-光學(xué)裝置的方法包括提供 根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的裝置；將試樣安裝在試樣位置；將 第一容積抽空至1- 50mbar之間的壓力；將第二容積抽空至低于 0. lmbar的壓力，特別是至低于O. Olmbar的壓力；將該試樣與該孔之間 的距離調(diào)節(jié)成小于該孔的直徑的兩倍的距離；使粒子束通過該孔，并 寸吏光子束通過該孑L。在本發(fā)明方法的還一實(shí)施例中，該光子束由試樣發(fā)出。 在本發(fā)明方法的另一實(shí)施例中，該光子束聚焦在試樣上。 在本發(fā)明方法的還一 實(shí)施例中，該第 一容積;故抽空至低于2Ombar 的壓力，特別是至低于10mbar的壓力。在本發(fā)明方法的還一實(shí)施例中，該第一容積;波抽空至高于6mbar的 壓力。6mbar是水在其凝固點(diǎn)處的平衡壓力。


下面將借助附圖來介紹本發(fā)明，附圖中，相同標(biāo)號(hào)表示相同特征。 圖l表示了本發(fā)明第一實(shí)施例的裝置； 圖2表示了本發(fā)明另一實(shí)施例，其中，第二容積形成為管； 圖3表示了本發(fā)明裝置的實(shí)施例，其中，光阻擋件存在于光學(xué)通路 中；以及圖4表示了本發(fā)明裝置的優(yōu)選實(shí)施例，其中，極靴位于鏡和試樣位 置之間。
具體實(shí)施方式
圖l表示了本發(fā)明第一實(shí)施例的裝置。它表示了真空腔室IOO，粒 子光學(xué)柱102布置在該真空腔室100上。該粒子-光學(xué)柱包括粒子源104 和粒子-光學(xué)透鏡108，該粒子源104圍繞粒子-光學(xué)軸線106發(fā)射粒子。 如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知，該柱還可以包括其它粒子-光學(xué)透鏡、偏轉(zhuǎn)器、多極件(multipole)等。應(yīng)當(dāng)知道，盡管圖l表示了有兩個(gè)透鏡的柱，但是具有一個(gè)、三個(gè) 或更多透鏡的柱也是已知的。該柱可以通過抽空裝置(未示出)來抽真空，該抽空裝置諸如是 油擴(kuò)散泵、旋轉(zhuǎn)泵、渦輪分子泵、隔膜泵、牽引泵等以及它們的組合。試樣載體110布置在真空腔室中，試樣112可以布置在該試樣載體 IIO上。該試樣載體設(shè)置成相對(duì)于該光學(xué)軸線來定位該試樣，包括沿著 該光學(xué)軸線定位。通常，這樣的試樣載體也可以傾斜和/或使試樣相對(duì) 于光學(xué)軸線旋轉(zhuǎn)。隔膜118將該真空腔室分成兩個(gè)容積122、 124,第一容積122被抽 空至例如5mbar的壓力；而第二容積124的壓力^皮抽空成壓力^f氐于例如 0. lmbar,在該壓力下，從粒子源向試樣行進(jìn)的粒子束產(chǎn)生的散射可以 忽略。該隔膜表示了孔120,該孔120足夠小，以便將氣流限制為這樣 的值，即在第二容積中可以保持例如O. lmbar的壓力。第一容積1M可 以用由真空控制器151控制的真空泵150來抽空，使得該壓力為所需壓 力。應(yīng)當(dāng)知道，還可以調(diào)節(jié)進(jìn)入真空腔室的流體(例如水蒸汽)的量， 從而調(diào)節(jié)真空腔室100中的壓力(假定泵150的泵吸能力有限)。第二 容積122可以有類似的泵吸裝置，但是其被抽空至更低的壓力。用于抽 空該第 一和第二容積以及柱的多個(gè)機(jī)構(gòu)已經(jīng)用于ESEM中，并為本領(lǐng)域 技術(shù)人員已知。隔膜118裝備有凸出的錐體132。這就有可能使用并非扁平的試樣， 或者使試樣傾斜(通過傾斜試樣載體)，而不會(huì)使試樣與隔膜接觸。在第二容積122中，鏡114定位成環(huán)繞粒子-光學(xué)軸線106。該鏡表 示了通孔116,粒子能夠從粒子源104通過該通孔而向試樣行進(jìn)。在鏡 和試樣之間，該粒子-光學(xué)軸線和光-光學(xué)軸線重合。從該試樣看上去， 該鏡使得該光-光學(xué)軸線偏轉(zhuǎn)離開該粒子-光學(xué)軸線。該第二容積還容納檢測器12 6 ，用于檢測從該試樣發(fā)出的次級(jí)粒 子，例如次級(jí)電子。該真空腔室100裝備有氣密密封的光學(xué)透明窗口 200,從而使得來 自試樣的光能夠借助于該鏡而進(jìn)入位于模塊202中的檢測器，或者相 反，來自位于模塊202中的光源的光束130能夠照射該試樣。應(yīng)當(dāng)知道，還可以將才莫塊202定位在該真空腔室的內(nèi)部，或者使該窗口形成為通孔(假定該模塊的殼體被氣密密封)，從而使該模塊的 內(nèi)部暴露于真空中。在工作時(shí)，粒子源104產(chǎn)生粒子束，該粒子例如是能量為例如 0. 1-30keV的電子或離子。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的那樣，該射束可以 借助于粒子-光學(xué)透鏡108而聚焦在試樣上，并可以借助于偏轉(zhuǎn)器(未 示出)在試樣的表面上進(jìn)行掃描，用磁場或電場來操縱該射束。由粒 子束對(duì)試樣的照射將產(chǎn)生次級(jí)輻射，例如次級(jí)電子、反向散射電子、 離子、X射線光子。次級(jí)電子和離子可以用合適檢測器來檢測，例如檢 測器126，它可以是Everhart-Thornley類型。還有，X射線檢測器也為 本領(lǐng)域技術(shù)人員公知。來自試樣的光由鏡114來收集，并被偏轉(zhuǎn)至裝于 模塊202中的光子檢測器。為此，該鏡優(yōu)選是拋物面鏡或者橢圓鏡，對(duì) 粒子撞擊試樣的位置進(jìn)行成像，使得從該位置發(fā)出的光子撞擊該光子 檢測器。孑U20與試樣之間的壓力(例如6mbar) 4艮高，以致于粒子束產(chǎn)生 一些散射。不過，通過使得孔和試樣之間的距離選擇為較小，散射的 影響有限。因此，由檢測器收集的大部分信息(它是次級(jí)粒子、X射線 或光)將在該粒子束的焦點(diǎn)中找到其起源。該試樣與該孔之間的距離 可以通過沿該粒子-光學(xué)軸線定位該試樣載體110而調(diào)節(jié)至所需的較小 值。所獲得的較小距離也意味著光-光學(xué)通路的開角表示了相對(duì)較大 的數(shù)值孔徑，從而導(dǎo)致高效收集來自試樣的光子。還可以聚焦來自模塊202的光子，該光子例如由激光器產(chǎn)生，從而 加熱該試樣，或者以其它方式引起例如化學(xué)或物理變化。圖2表示了本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中，第二容積形成為管。圖2可以認(rèn)為是來源于圖1。不過，在這里，第二容積形成為管160, 該管160布置成與該粒子-光學(xué)軸線106成一定角度(這里，管160表示 為與粒子-光學(xué)軸線垂直)。該管的一個(gè)端部表示了兩個(gè)通孔， 一個(gè)密 封抵靠該粒子-光學(xué)柱102,另一個(gè)是靠近試樣位置的孔120。這些通孔 布置成使得粒子束穿過這兩個(gè)通孔。該鏡114布置在這兩個(gè)孔之間，使 得光-光學(xué)軸線偏轉(zhuǎn)成沿著該管118。該管的另一端部與例如光子檢測 器或光子產(chǎn)生器(未示出)連接。該管由泵吸裝置來抽空，該泵吸裝置通過真空管129與該管連接。該管的內(nèi)部(其構(gòu)成第二容積124)被抽空至例如O. lmbar的壓力， 在該壓力下，散射可以忽略。因?yàn)樵摴芘c該粒子-光學(xué)柱102密封，該 管與粒子源之間的真空可以保持在該壓力或者甚至更低壓力下。僅在 試樣112和孔120之間的壓力較高，以致于產(chǎn)生顯著散射。通過將該孔 與試樣之間的距離調(diào)節(jié)成前述較小距離，散射的影響受到限制。通過使管118可縮回，該實(shí)施例在需要使裝置能夠根據(jù)本發(fā)明工作 或作為標(biāo)準(zhǔn)ESEN^工作時(shí)是特別有利的，其中，例如更多空間可用于其 它類型的檢測器或其它類型的試樣。該實(shí)施例還使得能夠用一套簡單的工具來將例如標(biāo)準(zhǔn)SEM或ESEN^ 升級(jí)成本發(fā)明的裝置。圖3表示了本發(fā)明裝置的實(shí)施例，其中，光阻擋件存在于光通路中。圖3可以認(rèn)為是來源于圖2。不過，在這里，該鏡將來自試樣位置 的光聚焦到光阻擋件128上。該光阻擋件表示了針孔119，來自試樣位 置112的光能夠穿過該針孔119而行進(jìn)至檢測器單元(未示出)。該鏡 114并不使得來自其它位置的光成像在光阻擋件的針孔處，因此，該光 將不會(huì)傳輸至檢測器單元。應(yīng)當(dāng)知道，盡管光阻擋件需要阻擋光，但是在所示結(jié)構(gòu)中也需要 相對(duì)較大的泵吸流導(dǎo)(conductance)。這可以通過將光阻擋件裝備成 迷宮式或者通過在真空管129與鏡和光阻擋件之間的管119之間進(jìn)行該 連接而實(shí)現(xiàn)。該實(shí)施例特別有利于消除對(duì)例如雜散光的檢測，該雜散光例如是 來自其它檢測器系統(tǒng)的光或由于粒子與氣體分子的非彈性散射而產(chǎn)生 的光。圖4表示了本發(fā)明裝置的優(yōu)選實(shí)施例，其中，極靴(pole piece)位于鏡和試樣位置之間。圖4表示了位于粒子-光學(xué)柱102的粒子-光學(xué)透鏡108和204之間的 鏡114。粒子-光學(xué)透鏡204 (所謂的物鏡)可例如是常規(guī)的磁或靜電粒 子-光學(xué)透鏡，或者它可以是所謂的浸沒透鏡——其中試樣布置在該物 鏡的磁場或電場中——這兩種透鏡為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知。對(duì)著試樣 位置112的柱部分(形成為物鏡204的極執(zhí))包括孔120 (粒子和光子都 通過)，從而也將第一和第二容積分開。該鏡114使得光-光學(xué)軸線從 粒子-光學(xué)軸線朝著檢測器模塊202偏轉(zhuǎn)。該模塊在這里表示為在粒子-光學(xué)柱的真空內(nèi)部，但是，如果該粒子-光學(xué)柱102表示了用于光子通 過的窗口，則也可以布置在該柱的外部。由于該實(shí)施例使用物鏡，且極靴與試樣位置之間的距離較小，因 此該實(shí)施例特別有利，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，這使得該透鏡有最佳 光學(xué)性能。該實(shí)施例的另 一優(yōu)點(diǎn)是形成緊湊設(shè)計(jì)。應(yīng)當(dāng)知道，盡管在圖中，鏡114表示為布置在物鏡204的外部，但 是也可以將該鏡安裝在物鏡的極靴之間。由于物鏡204的極靴之間的間 隙相當(dāng)靠近該試樣位置，這導(dǎo)致鏡114的位置靠近試樣，因此，與將該 鏡布置在物鏡外部時(shí)(在粒子源一側(cè))相比，可以使用更小尺寸的鏡。還應(yīng)當(dāng)知道，通過浸沒類型的物鏡204,可以構(gòu)成具有較高的粒子 -光學(xué)性能和較高的光學(xué)通路數(shù)值孔徑的裝置。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知 的那樣，浸沒透鏡需要在其透鏡極靴與試樣之間有較小距離。假定透 鏡才及孰的中心孔作為孔120，因此該孔也定位成供光子在試樣與鏡之間 通過。將該鏡布置在浸沒透鏡的極靴與試樣之間甚至是不可能的，因 此當(dāng)使用浸沒透鏡來獲得較高的粒子-光學(xué)分辯率時(shí)，該實(shí)施例可以是 優(yōu)選方案。應(yīng)當(dāng)知道，在前述實(shí)施例中，當(dāng)使用該孔120來4吏光子穿過時(shí)，試 樣位置112與孔120之間的距離必須保持較小。不過，當(dāng)光通路的較大 數(shù)值孔徑N.A.(暫時(shí))并不重要時(shí)，例如當(dāng)只通過粒子束來觀察試樣 時(shí)，可以在該孔與試樣位置之間有較大距離的情況下工作(較長的所 謂工作距離)。例如，可以在試樣位置與該孔之間有較大距離的情況 下用粒子束對(duì)試樣進(jìn)行成像，從而能夠有較大視野，并進(jìn)行例如粗糙 引導(dǎo)，之后，可以使該距離變得更小，且可以在該試樣的微小部分上 進(jìn)4亍例如4立曼光"i普術(shù)。還應(yīng)當(dāng)知道，前述實(shí)施例表示了最多一 個(gè)檢測器用于檢測由撞擊 粒子所引起的輻射。應(yīng)當(dāng)知道，可以有多個(gè)檢測器，它們?cè)O(shè)置在真空 腔室中或者在粒子-光學(xué)柱中，能夠檢測不同類型的輻射，例如次級(jí)電 子、次級(jí)離子、反向散射電子、X射線等。還應(yīng)當(dāng)知道，前述實(shí)施例介紹了由光子檢測器檢測來自試樣的光 子。當(dāng)檢測由于碰撞粒子而發(fā)出的光時(shí)(陰極發(fā)光)，這特別有利。 如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知，通常優(yōu)選是用光子照射試樣(以便引起某些物理或化學(xué)變化，例如由于加熱)，或者甚至用光子照射試樣且同時(shí) 利用例如分束器(例如拉曼光鐠術(shù))來檢測來自試樣的光子。本發(fā)明 同樣適用于照射該試樣。還應(yīng)當(dāng)知道，第一容積(試樣處在該第一容積中)中的壓力可以 通過允許例如空氣或水蒸汽進(jìn)入真空腔室(通過受控的泄漏)來進(jìn)行 調(diào)節(jié)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知，這可以通過允許蒸汽進(jìn)入腔室或通過 局部允許蒸汽進(jìn)入(借助于靠近試樣位置的所謂氣體注入器)來進(jìn)行。還已知允許其它流體進(jìn)入，例如用于沉積的產(chǎn)物母體(precursor)流 體或者用于蝕刻的蝕刻流體(例如XeFj 。可以不使用水來避免濕試樣脫水，而是可以允許其它流體進(jìn)入該 第一容積，以避免試樣中的其它流體蒸發(fā)，例如油、脂等。在觀察例 如某些藥在油"載體"中的懸浮時(shí)或者在觀察/分析包含例如油和催化 劑的混合物時(shí)，這可能很有利。
權(quán)利要求
1.一種粒子-光學(xué)裝置，包括真空腔室(100)；安裝在該真空腔室上的粒子-光學(xué)柱(102)，用于產(chǎn)生圍繞粒子-光學(xué)軸線(106)的粒子束，所述粒子-光學(xué)柱包括粒子源(104)；位于該真空腔室(100)中的試樣載體(110)，用于將試樣承載在試樣位置(112)，所述試樣位置位于該粒子-光學(xué)軸線(106)上；鏡(114)，用于收集從該試樣位置(112)發(fā)出的光，或者將光聚焦在該試樣位置(112)上，所述鏡具有圍繞該粒子-光學(xué)軸線(106)的通孔(116)；以及抽空裝置，用于對(duì)該裝置進(jìn)行抽空；其特征在于隔膜(118)布置在該試樣位置(112)與該鏡(114)之間，所述隔膜將第一容積(122)與第二容積(124)分開，該試樣位置(112)位于該第一容積(122)中，所述隔膜(118)具有圍繞該粒子-光學(xué)軸線(106)的孔(120)，用于由粒子-光學(xué)柱(102)產(chǎn)生的粒子通過并用于該鏡(114)與試樣位置(112)之間的光通過；該孔(120)將從第一容積(122)流向第二容積(124)的氣流限制為這樣的值，即，當(dāng)在試樣位置(112)處的壓力是流體平衡壓力，且平衡壓力大于1mbar時(shí)，該抽空裝置可以將該第二容積(124)抽空至足夠低的壓力，以便當(dāng)與第一容積中的散射比較時(shí)可以忽略粒子束在第二容積中的散射；該孔(120)與該試樣位置(112)之間的距離可以調(diào)節(jié)成或固定成小于該孔(120)的直徑的四倍，優(yōu)選是小于該孔(120)的直徑的兩倍；且該鏡(114)位于該隔膜(118)與粒子源(104)之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的粒子光學(xué)裝置，其中，該孔(120)的直 徑小于lmm，特別是小于300拜。
3. 根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的粒子光學(xué)裝置，其中，當(dāng)?shù)?一容積中的壓力高于大約6mbar時(shí)，該抽空裝置可以將第二容積(124) 抽空至足夠低的壓力，以便使得粒子束的散射與在第一容積中出現(xiàn)的 散射相比可以忽略。
4. 根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的粒子光學(xué)裝置，還包括帶電 粒子檢測器(126)，所述檢測器位于第二容積(124)中。
5. 根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的粒子光學(xué)裝置，還包括帶電 粒子檢測器(126),所述檢測器位于第一容積(122)中。
6. 根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的粒子光學(xué)裝置，還包括帶電 粒子檢測器(126)，其中，所述隔膜(118)是所述帶電粒子檢測器 的一部分。
7. 根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的粒子光學(xué)裝置，還包括光子 檢測器(128)，用于檢測從該試樣位置(112)發(fā)出的光。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的粒子光學(xué)裝置，還包括光阻擋件(130), 該光阻擋件布置在光子檢測器(128)與鏡(114)之間的光-光學(xué)通路 上，所述光阻擋件具有用于光通過的孔(132),該鏡(114)將該試 樣位置(112)成像在該孔(132)上，這樣，除試樣位置(112)之外 的其它位置發(fā)出的光不會(huì)對(duì)由光子檢測器(124)檢測的光量產(chǎn)生顯著 貢獻(xiàn)。
9. 根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的粒子光學(xué)裝置，其中，該裝 置裝備有氣體注入器(130),所述氣體注入器允許氣體或蒸汽進(jìn)入第 一容積(122)。
10. 根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的粒子光學(xué)裝置，其中，該 隔膜(118)具有指向試樣位置(112)的、成截頭錐形形狀的凸起(132), 且該孔(120)形成于該錐體的、最靠近試樣位置的端部中。
11. 根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的粒子光學(xué)裝置，其中，該 光由以下組的光子形成紅外線、可見光、紫外線和X射線光子。
12. 根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的粒子光學(xué)裝置，其中，粒 子-光學(xué)透鏡的極靴位于試樣位置(112)與鏡(114)之間。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的粒子光學(xué)裝置，其中，該極靴為該隔 膜(118)。
14. 根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的粒子光學(xué)裝置，其中，該 鏡(114)位于該粒子-光學(xué)柱(102)與該孔(120)之間。
15. —套工具，用于將現(xiàn)有的顯微鏡升級(jí)成如前述任意一個(gè)權(quán)利 要求所述的顯微鏡。
16. —種操作粒子-光學(xué)裝置的方法，該方法包括提供根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的裝置； 將試樣安裝在該試樣位置(112); 將第一容積(122)抽空至l - 50mbar之間的壓力； 將第二容積(124)抽空至低于O. lmbar的壓力； 將該試樣與該孔(120)之間的距離調(diào)節(jié)成小于該孔的直徑的兩倍 的距離；使粒子束通過該孔(120);以及 使光子束(130)通過該孔(120)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，該光子束(130)由試樣 發(fā)出。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，該光子束(130)被聚焦 在試樣上。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16 - 18中任意一個(gè)所述的方法，其中，該第一 容積(122);故抽空至在大約lmbar與大約20mbar之間的壓力。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16 - 19中任意一個(gè)所述的方法，其中，該第一 容積(122) 4皮抽空至在大約6mbar與大約10mbar之間的壓力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種粒子-光學(xué)裝置，例如ESEM^，用于同時(shí)通過粒子和光子來觀察試樣。壓力限制裝置(PLA)布置在ESEM^的物鏡和試樣位置之間的隔膜中。試樣位置與孔之間的距離足夠小，以便使較大收集角的光子通過該孔。鏡布置在隔膜和物鏡之間。由于光子的較大收集角，可以獲得極大NA。在試樣位置和孔之間的較小距離還導(dǎo)致電子的散射比在ESEM(其中，鏡布置在孔和試樣位置之間)中產(chǎn)生的更少，因?yàn)殡娮又恍枰诟邏簠^(qū)域中通過有限長度。實(shí)施例介紹了使用例如浸沒透鏡時(shí)的組合。
文檔編號(hào)G01J3/02GK101241026SQ20081000548
公開日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2008年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月6日
發(fā)明者W·R·諾爾斯 申請(qǐng)人:Fei公司