[发明专利]环境扫描电子显微镜气体喷射系统

说明书

技术领域

本发明涉及带电粒子束系统，并且具体涉及允许工件在气体环境中处理的带电粒子束系统。

背景技术

在扫描电子显微镜(SEM)中，初级电子束在待研究的样品的区域上扫描。电子与样品的冲击中释放的能量引起样品中的其它带电粒子的放出。这些次级粒子的数量和能量提供关于样品的性质、结构和成分的信息。用语样品传统地用于指出在带电粒子束系统中处理或观察的任何工件，并且如本文使用的用语包括任何工件，并且不限于用作较大群体的代表的样品。如本文使用的用语次级电子包括反向散射的初级电子，以及源于样品的电子。为了检测次级电子，SEM通常设有一个或更多个次级电子检测器。

在常规SEM中，样品保持在高真空中，以防止初级电子束由气体分子散射，并且容许次级电子的收集。然而，当射束撞击样品的非传导区域时，样品趋于累积电荷，这可使初级射束偏转，并且影响到达检测器的次级电子的数量。累积的电荷的极性取决于初级射束中和工件材料上的粒子的类型和能量。尽管初级射束中的电子带负电，但各个撞击初级电子可喷射超过一个次级电子，使样品带正电。已经提出了若干技术来减少样品电荷，包括将传导层沉积到样品上，如授予Gerlach等人的美国专利第6,683,320号Through-the-lens neutralization for charged particle beam system中所述的，将低能电子朝样品引导，以及将光朝半导体样品引导以引起光导电性来排放电子。

另一个解决方案在于将样品保持在相对高压力下，并且例如在授予Mancuso等人的标题为Secondary Electron Detector for Use in a Gaseous Atmosphere的美国专利第4,785,182号中描述。此类装置作为高压扫描电子显微镜(HPSEM)或环境扫描电子显微镜而公知。实例为来自FEI公司的Quanta 600 ESEM^?高压SEM。次级电子朝阳极加速，并且沿该路线电离气体粒子，其中电离的气体粒子被吸引回带电样品，远离阳极，并且中和电荷。

在HPSEM中，待研究的样品置于具有典型地在0.1Torr(0.13mbar)到50Torr(65mbar)之间的压力的气体气氛中，并且更典型地在1Torr(1.3mbar)到30Torr(40mbar)之间，而在常规SEM中，样品位于大致较低压的真空中，典型地小于10^-5Torr(1.3x10^-5mbar)。除电荷中和之外，HPSEM提供了形成湿样品(如，生物样品，以及在常规SEM中的高真空状态下将难以成像的其它样品)的电子光学图像的可能性。HPSEM提供了将样品保持在其自然状态中的可能性；样品并不经历干燥、冷冻或真空涂覆的不利要求，其一般在使用常规SEM的研究中为必要的，并且可改变样品。

在HPSEM中，次级电子典型地使用称为气体电离级联放大或气体级联放大的过程来检测，其中次级带电粒子由电场加速，并且与成像气体中的气体分子碰撞，以产生附加的带电粒子，该附加的带电粒子继而与其它气体分子碰撞来产生又一些附加的带电粒子。该级联继续，直到极大地增长的数量的带电粒子检测为检测器阳极处的电流。在一些实施例中，来自样品表面的各个次级电子例如生成超过20、超过100或超过1,000的附加电子，这取决于气体压力和电极构造。气体级联放大检测器典型地不提供与使用闪烁器和光电倍增器的组合的常规高真空检测器(如，Everhart - Thornley检测器)一样高的分辨率或一样大的放大。

HPSEM通过使用压力限制孔口(PLA)来限制高气体压力至样品室的区域，以在聚焦柱中保持高真空。气体分子散射初级电子束，并且因此压力限制孔口定位成最小化初级电子束在高压区域中行进的距离，以便减小初级射束的散射，同时提供样品与检测器之间的足够的行进距离用于次级电子信号的充分的气体级联放大。

美国专利第4,785,182号中描述的HPSEM包括真空封壳，其具有压力限制孔口、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引导由电子源发射的电子束穿过压力限制孔口的一个或更多个聚焦透镜、位于真空封壳内且能够扫描电子束的射束偏转器，以及包括设置在高真空封壳外的样品平台且能够将包封在气体中的样品保持在期望压力下的样品室。