[发明专利]具有电子能量损失光谱检测器的透射带电粒子显微镜

说明书

具有电子能量损失光谱检测器的透射带电粒子显微镜。本发明涉及一种透射带电粒子显微镜，包括：带电粒子束源，用于发射带电粒子束；样本固持器，用于固持样本；照射器，用于将从所述带电粒子束源发射的所述带电粒子束引导到所述样本上；和控制单元，用于控制所述透射带电粒子显微镜的操作。如本文中所定义，所述透射带电粒子显微镜布置成用于在至少两个模式下操作，所述至少两个模式大体上产生第一放大率，同时保持所述衍射图案大体上聚焦。所述至少两个模式包括：第一模式，具有投影系统的最终投影仪透镜的第一设定；和第二模式，具有所述最终投影仪透镜的第二设定。

本发明涉及一种透射带电粒子显微镜，包括：带电粒子束源，用于发射带电粒子束；样本固持器，用于固持样本；照射器，用于将从所述带电粒子束源发射的所述带电粒子束引导到所述样本上；和控制单元，用于控制所述透射带电粒子显微镜的操作。

带电粒子显微术是众所周知且越来越重要的用于对微观物体进行成像的技术，特别是以电子显微术的形式。从历史上看，电子显微镜的基本种类已演变成数个众所周知的设备类型，例如透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和扫描透射电子显微镜（STEM），且还演变成各种子类型，例如所谓的“双束”设备（例如，FIB-SEM），其另外采用聚焦离子束（FIB），从而允许支持例如离子束铣削或离子束诱导沉积（IBID）的活动。技术人员将熟悉不同类型的带电粒子显微术。

通过扫描电子束照射样本，以二次电子、背散射电子、X射线和阴极发光（红外、可见光和/或紫外光子）的形式加速从样本发出“辅助”辐射。可检测这一发出辐射的一个或多个分量且将其用于样本分析。

分析样本的一种方式是利用电子能量损失光谱（EELS）模块。在电子能量损失光谱（EELS）中，将材料暴露于具有已知的窄动能范围的电子束。电子中的一些将经历无弹性散射，这意味着其损失能量且其路径可能稍微偏转。能量损失的量可经由电子光谱仪测量且根据引起能量损失的原因进行解释。无弹性相互作用包含声子激发、带间和带内跃迁、等离子体振子激发、内壳电离和切伦科夫辐射。内壳电离特别适用于检测材料的元素成分。举例来说，可能发现，大于预期数目的电子以比其进入材料时具有的能量小285 eV的能量通过材料。这大约是从碳原子去除内壳电子所需的能量的量，其可视为在样本中存在大量碳的证据。仔细且观察宽范围的能量损失，可确定受光束撞击的原子的类型和每一类型的原子的数目。也可测量散射角（也就是说，电子的路径偏转的量），从而提供关于引起无弹性散射的任何材料激发的色散关系的信息。

存在EELS的若干基本类别，主要通过几何形状且通过入射电子的动能（通常以千电子伏特或keV为单位来测量）来分类。当今最常见的可能是透射EELS，其中动能通常是100到300 keV且入射电子完全穿过材料样本。通常，这发生在透射电子显微镜（TEM）中，且尤其发生在扫描透射电子显微镜（STEM）中。

在STEM中，探针形成光学器件将照射集中在小探针中的样本上这种探针的半会聚角是限制这一角度以便限制使探针大小恶化的光学像差的需要与最大化这一角度以便使探针中的电流最大化且使因波衍射效应导致的模糊最小化的需要之间的平衡。通常，在不具有像差校正器的STEM显微镜中，探针大小可小到2Å且半会聚角可大到10mrad，且在具有像差校正器的STEM显微镜中，探针大小可小到0.5Å且半会聚角可大到40mrad。

通常在STEM中，由于试样相当薄，所以探针中的大部分电子并不与试样相互作用。探针中的一些电子可能在试样上弹性地散射（而不损失能量），因此经历明显的方向变化。其它电子可能在试样上无弹性地散射（而没有显著的方向变化），因此经历明显的能量损失。小部分电子可能经历弹性以及无弹性的多个相互作用。