[发明专利]用于带电粒子束系统的环境单元

说明书

技术领域

本发明涉及带电粒子束系统，并且特别地涉及允许在反应性气体环境中处理工件的带电粒子束系统。

背景技术

在扫描电子显微镜（“SEM”）中，在要调研的样本的区域上扫描一次电子束。在电子与样本的撞击中释放的能量引起样本中的其它带电粒子的释出。这些二次粒子的数量和能量提供关于样本的性质、结构和组成的信息。术语“样本”传统上用来指示正在带电粒子束系统中处理或观察的任何工件，并且本文所使用的术语包括任何工件且不限于被用作表示较大群体（population）的样本。本文所使用的术语“二次电子”包括被反向散射的一次电子以及源自于样本的电子。为了检测二次电子，SEM常常提供有一个或多个二次电子检测器。

在常规SEM中，将样本保持在高真空中以防止一次电子束被气体分子散射并容许二次电子的收集。然而，诸如生物样本的湿样本不适合于在高真空中观察。此类样本在能够获得准确的图像之前在真空中经历其流体内含物的蒸发，并且蒸发的气体干扰一次电子束。放气的对象（即在高真空中失去气体的固体）也要求特殊的考虑。

例如，在授予Mancuso等人的题为“Secondary Electron Detector for Use in a Gaseous Atmosphere”的美国专利号4,785,182中，描述了其中在相对高的压力下利用样本进行操作的电子显微镜。此类设备被更适当地称为高压扫描电子显微镜（HPSEM）或环境扫描电子显微镜。示例是来自FEI公司的量子600 ESEM^?高压SEM。

在HPSEM中，将要调研的样本放置在具有典型地在0.1托（0.13毫巴）和50托（65毫巴）之间、以及更典型地在1托（1.3毫巴）和10托（13毫巴）之间的压力的气体的大气中，而在常规SEM中，将样本定位于基本上较低压力、典型地小于10^-5托（1.3×10^-5毫巴）的真空中。与常规SEM相比，HPSEM的优点是HPSEM提供形成诸如生物样本的潮湿样本和在常规SEM中的高真空条件下将难以成像的其它样本的电子光学图像的可能性。HPSEM提供将样本保持在其自然状态下的可能性；样本不经受干燥、冷冻或真空涂覆的不利要求，这在使用常规SEM的研究中通常是必需的，并且这可能改变样本。HPSEM的另一优点是电离成像气体促进电荷的中和，该电荷趋向于积聚在诸如塑料、陶瓷或玻璃的绝缘样本中。

在HPSEM中，通常使用被称为“气体电离级联放大”或“气体级联放大”的过程来检测二次电子，其中，二次带电粒子被电场加速且与成像气体中的气体分子相碰撞以产生附加带电粒子，该附加带电粒子接着又与其它气体分子相碰撞以便还产生附加带电粒子。此级联继续至到在检测器电极处检测到作为电流的数目大大增加的带电粒子为止。在某些实施例中，根据气体压力和电极配置，来自样本表面的每个二次电子生成例如超过20个、超过100个或者超过1000个附加电子。

HPSEM通过使用限压光阑（PLA）来使高气体压力的区域限于样本室以保持聚焦镜筒中的高真空。气体分子散射一次电子束，并且因此，将限压光阑定位为使一次电子束在高压区域中行进的距离最小化以便减少与一次射束的干扰，同时在样本与检测器之间提供足够的行进距离以用于二次电子信号的适当气体级联放大。

如在美国专利号4,785,182中所述的HPSEM包括具有限压光阑的真空封壳、位于真空封壳内且能够发射电子的电子束源、位于真空封壳内且能够指引由电子源发射的电子束通过限压光阑的一个或多个聚焦透镜、位于真空封壳内且能够扫描电子束的射束偏转器以及样本室，该样本室包括设置在高真空封壳外部且能够在期望的压力下保持被包围在气体中的样本的样本平台。

虽然HPSEM能够观察潮湿生物样本，但此类观察仍然存在问题。例如，当在室温或体温下观察含水材料时，水趋向于凝结在样本室内的所有表面上。此类凝结可能干扰HPSEM的操作，以及引起腐蚀和污染。