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    同时 电子 检测
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    摘要
    申请专利号:

    CN201110122317.9

    申请日:

    2011.05.12

    公开号:

    CN102262997A

    公开日:

    2011.11.30

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H01J 37/28申请日:20110512|||公开
    IPC分类号: H01J37/28; H01J37/244; G01N23/04; G01N23/22 主分类号: H01J37/28
    申请人: FEI 公司
    发明人: P. C. 蒂梅杰; B. H. 弗雷塔格; S. 拉扎尔
    地址: 美国俄勒冈州
    优先权: 2010.05.21 EP 10163505.0; 2010.05.12 US 61/333832
    专利代理机构: 中国专利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 马永利;王忠忠
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201110122317.9

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2016.03.16|||2013.06.12|||2011.11.30

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明涉及同时电子检测。本发明提供用以检测穿过样品的电子的多个检测器。所述检测器优选地在电子穿过棱镜之后检测所述电子,其中所述棱镜根据电子的能量分离电子。随后由不同检测器检测处于不同能量范围内的电子,其中优选地至少其中一个检测器测量所述电子在穿过样品时所损失的能量。本发明的一个实施例提供对于核心损失电子的EELS,而且同时提供来自低损失电子的亮视场STEM信号。

    权利要求书

    1.?一种透射电子显微镜(300,400,500,600,700),其包括:高能电子源(302);电子聚焦镜筒(304),其用于把来自所述高能电子源的电子聚焦成束并且将其扫描过样品;分散设备(322,412),其用于分散已穿过样品的具有不同能量的电子;第一电子检测器(334,426);用于把电子投射到第一检测器上的电子光学元件(332,424);以及用于检测电子的第二检测器(340,420,502,628L,702),其特征在于:???????第一电子检测器通过记录多个点处的电子强度来记录图像或光谱;???????随着所述电子聚焦镜筒将所述高能电子束扫描过样品,第二检测器快速记录区域上的电子强度改变;???????第二检测器被定位在能量分散平面内或者基本上与所述能量分散平面靠近;以及???????第二检测器不会阻挡电子进入第一检测器。2.?权利要求1的透射电子显微镜,其中:第一检测器是摄影机;以及第二检测器是STEM检测器。3.?权利要求1的透射电子显微镜,其中:所述分散设备将所述束分离成第一能量范围和第二能量范围;第一检测器检测处于第一能量范围内的电子;以及第二检测器检测处于第二能量范围内的电子。4.?权利要求1的透射电子显微镜,其中,所述棱镜被调节成使得第一检测器检测核心损失电子,并且使得第二检测器检测处于零损失峰值中的电子。5.?权利要求1的透射电子显微镜,其中,第二检测器被定位在所述分散设备与用于将电子投射到第一检测器上的所述电子光学元件之间。6.?权利要求1的透射电子显微镜,其中,第一检测器检测具有大于100eV的能量损失的电子,并且其中第二检测器检测具有小于100eV的能量损失的电子。7.?权利要求1的透射电子显微镜,其还包括处于能量分散平面内或附近的能量选择狭缝(328,418,528,628,728),并且其中第二检测器被定位在所述能量选择狭缝前方,或者其中所述检测器包括所述能量选择狭缝的一部分。8.?权利要求1的透射电子显微镜,其还包括第三电子检测器,第二和第三检测器的其中之一检测在所述狭缝的一侧穿过的电子,并且第二和第三检测器当中的另一个检测在所述狭缝的另一侧穿过的电子。9.?一种分析样品的方法,其包括:将电子束导向样品;利用分散设备,在电子穿过样品之后将所述电子分离成第一能量范围和第二能量范围;在确定电子的能量的第一检测器中检测处于第一能量范围内的电子;其特征在于,在第二检测器中检测处于第二能量范围内的电子,所述第二检测器被定位在所述分散设备后方并且产生与处于第二能量范围内的电子的数目成比例的信号。10.?权利要求9的方法,其中,检测处于第一能量范围内的电子包括检测核心损失电子,并且其中检测处于第二能量范围内的电子包括检测零损失电子。11.?权利要求9的方法,其中:将电子分离成第一能量范围和第二能量范围包括令所述电子穿过棱镜;检测处于第一能量范围内的电子包括令处于第一能量范围内的电子穿过能量选择狭缝;以及其中第二检测器被定位在所述能量选择狭缝的一部分处或其前方,以便检测没有穿过所述狭缝的至少其中一些电子。

    说明书

    同时电子检测

    技术领域

    本发明涉及用于电子束系统的检测器,并且特别涉及利用不同检测器同时检测不同能量范围内的电子。

    背景技术

    在扫描透射电子显微镜(STEM)中,将聚焦高能电子束扫描过薄样品。所述束中的电子在其穿过样品时与所述样品相互作用,并且在所述样品下方被收集。一些电子相对不受阻碍地穿过样品;其他电子则被偏转、吸收或损失能量。不同的成像和分析技术使用所透射的电子的不同特性来形成图像或确定样品的属性。这里所使用的术语“STEM成像”是指在沿着样品表面扫描聚焦电子束时从撞击检测器的电子束的数目获得关于所述样品的信息。在STEM成像中所使用的“STEM检测器”可以是闪烁器-光电倍增检测器(其也被称作Everhart-Thornley检测器)、PIN固态检测器或者任何其他适当的检测器。STEM检测器通??斓阶阋栽市碓谝淮蔚缱邮柩繁砻娴那蚴笔占?。典型的扫描(例如在1000行上对束进行光栅化,其中每一行中有1000个扫描点)可能花费大约1秒钟并且可能生成超过100万个像素的信息,并且因此所述检测器优选地可以在至少每秒钟100万个读数的速率下提供读数。典型的高精度STEM成像电路可以在数微秒内获得读数,优选地少于100μs、少于50μs,并且更加优选地少于10μs。

    可以在被称作“亮视场STEM成像”的处理中沿着束轴检测在没有较大方向改变的情况下穿过样品的电子??梢栽诒怀谱鳌鞍凳映TEM成像”的处理中远离光轴收集被样品偏转过较大角度的电子??梢酝ü肱鲎驳缱拥氖砍杀壤男藕诺募觳馄骼醇觳庥糜诹潦映『桶凳映TEM成像的电子。用于亮视场成像的STEM检测器通常是圆形的并且以系统光轴为中心。用于暗视场成像的STEM检测器通常是环形的并且与所述光轴同心。在所述一次电子束的扫描中的每一点处收集的来自亮视场成像或暗视场成像的信息可以被单独使用或一起使用,以便提供图像或者映射样品的特性。

    在另一种成像模式(即所谓的TEM成像)下,利用平行电子束来照射样品。再次,一部分电子相对不受阻碍地穿过样品;其他电子则被偏转、吸收或损失能量。在检测器上形成样品的图像,所述检测器例如具有荧光屏、CMOS摄影机、CCD摄影机或者任何其他适当检测器的形式。

    应当提到的是,有许多仪器能够形成TEM图像和STEM图像。

    可以通过测量随着电子穿过样品而被吸收的能量来提供关于所述样品的附加信息。这种技术被称作“电子能量损失光谱法”或EELS。关于EELS的概述由R.F.?Egerton在“Electron?energy-loss?spectroscopy?in?the?TEM(TEM中的电子能量损失光谱法)”(Reports?on?Progress?in?Physics?72,2008年12月)中提供。样品中的不同材料会导致电子在穿过时损失不同数量的能量。所述电子穿过光谱仪,以便通过从原始电子束中的电子能量减去其现有能量来确定能量损失。EELS不仅可以确定存在哪些元素,而且还可以确定其化学状态。

    EELS光谱仪通常包括一个或多个棱镜,所述棱镜按照电子在能量分散平面内的能量来分离电子,这是通过把所述电子偏转取决于电子能量的数量而实现的。能量分散平面是其中具有不同能量的电子在束行进方向的法向上分散的平面。这里所使用的术语“棱镜”意味着取决于束中的电子的能量来分散所述电子束的任何设备。棱镜例如可以提供垂直于束的磁场或电场。举例来说,球形电容器的一部分、磁偏转器或者Wien滤光器可以被用作棱镜。电子的角分散取决于所述棱镜中的磁场或电场的强度以及电子的能量。一个棱镜可以包括多个元件。除了棱镜之外,EELS光谱仪还可以包括通常位于所述能量分散平面内或其附近的可调节能量选择狭缝以及成像光学元件,以便在记录图像的检测器上形成电子图像,其中所述成像光学元件可以包括棱镜和/或透镜和/或多极子或其组合的系统。所述检测器例如可以是电荷耦合器件或有源像素传感器,并且可以包括一行像素或者包括二维像素阵列。位于样品后方和光谱仪前方的投射光学元件把电子投射到所述光谱仪的入射孔径中。

    EELS光谱仪通??梢圆僮髟诹街帜J较?。在被称作“光谱模式”的第一种模式下,所述成像元件在检测器上形成能量分散平面的图像。按照这种方式,所述检测器上的图像构成在样本中损失的能量的光谱。能量分散平面与检测器之间的所述棱镜和/或透镜和/或多极子的系统可以被用来改变所述能量分散平面在检测器上的放大率??梢允褂玫头糯舐世炊怨馄椎淖芾澜谐上?,并且可以使用高放大率来对光谱中的细节进行成像。在这种模式下,通常不需要所述能量选择狭缝,并且其被设定成足够宽,从而使其阴影在检测器上不可见。

    在EELS光谱仪的第二种操作模式(其被称为“能量选择的”或“能量滤波的”成像模式)下,所述成像元件在检测器上形成所述光谱仪的入射平面的图像。样品与光谱仪之间的投射光学元件可以被设定成使得所述光谱仪的入射平面包含样品的TEM图像,并且于是检测器平面也包含样品的TEM图像?;蛘?,所述投射光学元件可以被设定成使得所述光谱仪的入射平面包含样品后方的第一透镜的后焦平面的图像,该图像通常被称作样品的衍射图样。所述能量选择狭缝可以被用来在检测器上形成TEM图像或衍射图样,其仅由在穿过样品时损失了特定数量的能量的电子形成。

    某些EELS光谱仪无法操作在该第二种模式下(这例如是因为检测器不能记录二维图像,或者是因为所述透镜或多极子的系统不够灵活从而无法形成所述入射平面的图像),并且因此这些EELS光谱仪不需要能量选择狭缝。

    电子在穿过样品时存在若干种损失能量的机制。所述不同的机制导致电子损失不同数量的能量并且是典型的能量损失图或光谱的形状的成因。图1A和1B是以任意单位示出在各种能量损失值下检测到的电子数目的光谱。能量损失光谱随着存在于样品中的材料而改变,并且因此可以从所述光谱推断出关于样品的信息。

    图1A示出了能量损失光谱的所谓的“低损失”区域100,其在某种程度上被任意地定义为小于100eV的区域。所述低损失区域内的电子损失主要是由于非弹性相互作用而导致的,比如声子相互作用、等离振子相互作用、与外层电子的碰撞、与内层电子的非离子化碰撞以及辐射损失。图1B示出了所述光谱的典型的“核心损失(core?loss)”区域108。所述核心损失区域内的电子损失是由于内层电子或“核心”电子的离子化而导致的;并且所述损失通常大于100eV。图1A和图1B的光谱不是按照相同比例绘制的;图1B的垂直比例与图1A相比被放大许多。

    图1A示出了以零能量损失为中心的较大峰值102,其被称作“零损失峰值”。所述零损失峰值的宽度通常是大约0.2eV到2eV,并且其主要代表原始束中的能量散布以及主要发生在束电子与原子核之间的弹性碰撞中的较小能量损失??淼牡壤胝褡臃逯?04是由束电子与价电子的共振而导致的。图1B示出了具有远高于图1A中所示的能量损失的峰值110、112和114。每一个峰值与特定内层电子的逸出相关联,并且所述峰值是特定样品材料的特性。虽然也可以从所述能量损失光谱的低损失区域获得关于样品的信息,但是所述核心损失光谱提供很容易识别出存在于样品中的材料的信息。

    图2A示出了可以同时检测暗视场电子202并且对亮视场电子204执行EELS的扫描透射电子显微镜200。显微镜200包括电子源210和聚焦镜筒212,所述聚焦镜筒212将来自源210的电子聚焦到一个小的光点(spot)并且将该光点扫描过薄样品214。所述电子束由高能电子构成,即具有大约50keV和1000keV之间的典型能量的电子。穿过样品214的电子进入投射光学元件216。投射光学元件216可以被设定为在光谱仪217的入射平面形成样品214的放大图像,或者在光谱仪217的入射平面形成衍射图样。对于STEM应用,投射光学元件216通常被调节为在光谱仪的入射平面形成衍射图样,从而使得以最小偏转穿过样品的亮视场电子204穿过入射孔径215并且进入光谱仪217,而由环形暗视场STEM检测器218检测到被样品偏转得更厉害的暗视场电子202。来自环形STEM检测器218的信号被放大器220放大?;沸蜸TEM检测器218通常是闪烁器-光电倍增检测器或者固态PIN检测器。亮视场电子204穿过环形STEM检测器218的中心孔并且进入光谱仪217,所述光谱仪217包括根据电子的能量将其分散到不同轨迹224a、224b…224e等等的棱镜222。

    电子根据其能量垂直散布在能量分散平面225中。能够操作在前面描述的能量选择成像模式下的显微镜包括能量选择狭缝226,其具有位于能量分散平面225处或其附近的上刀刃(knife?edge)226U和下刀刃226L。所述刀刃之间的空间可以调节,以便令具有处于不同范围内的能量的电子穿过。穿过能量选择狭缝226的电子230被成像光学元件232聚焦到检测器234上,所述检测器234比如是胶片、荧光屏、CCD检测器或者有源像素传感器。具有处于指定范围之外的能量的电子236被能量选择狭缝226阻挡。

    环形检测器218不与进入棱镜222的亮视场电子204发生干扰,这是因为STEM检测器218的环形形状仅阻挡远离束轴的电子。这样的系统被认为不适合于对亮视场电子进行STEM检测而且同时执行EELS,这是因为亮视场检测器及其支架将阻挡电子束进入棱镜。

    图2B示出了可以同时检测暗视场电子202并且对亮视场电子204执行EELS的另一种扫描透射电子显微镜248。显微镜248包括光谱仪250,其被配置成“镜筒内(in-column)”光谱仪,这与图2A中被配置成“镜筒后(post?column)”光谱仪的光谱仪217相对。在“镜筒内”光谱仪中,电子以平行于该电子进入的方向离开光谱仪。光谱仪250对于棱镜包括“欧米茄滤光器(omega?filter)”,其通常包括至少4个元件252A、252B、252C和252D。元件252A和252B偏置电子路径并且分散电子束。元件252C和252D进一步分散电子束并且将束移置回到原始光轴。包括元件252A和252B的所述欧米茄滤光器的前一半与包括元件252C和252D的所述欧米茄滤光器的后一半之间的对称性被配置成使得所述棱镜的若干像差相互抵销。所述欧米茄滤光器的这两半的分散作用不会抵消,并且会在元件252D后方产生能量分散平面254。在该平面内放置有能量选择狭缝256L和256R。出离元件252D的电子260被成像光学元件232聚焦到检测器234上。

    应当提到的是,所述“低损失区域”和“核心损失区域”二者都包含亮视场电子和暗视场电子二者,因此出离样品的电子可以被分成4个类别:亮视场低损失电子,暗视场低损失电子,亮视场核心损失电子,以及暗视场核心损失电子?!傲闼鹗Х逯怠敝傅氖悄芰克鹗Ф皇瞧嵌?,并且因此“零损失电子”与“亮视场”电子不同。举例来说,被原子核弹性散射的电子只损失非常少的能量,但是可能以非常大的角度被散射。来自所有4个类别的电子都可以被用来提供关于样品的信息。前述各类别中电子的典型百分率分别是~95%、~5%、~1%和~0.05%。因此,在典型的显微镜操作中,亮视场低损失电子占出离束的最大百分率,并且暗视场核心损失电子占出离束的最小百分率。由于暗视场EELS信号典型地比亮视场EELS信号小10到100倍,因此暗视场对EELS信号的贡献通常被忽略。在典型的显微镜操作中,样品与环形STEM检测器之间的投射系统被设定成使得暗视场电子冲击在环形STEM检测器上,并且亮视场核心损失电子被光谱仪记录。此外,光谱仪的入射孔径通常只让亮视场电子穿过,因此所述光谱仪记录亮视场EELS信号。这里所使用的术语“EELS”的通常意义主要是指亮视场EELS。

    发明内容

    本发明的一个目的是在扫描透射电子显微镜中提供多项同时分析,其中所述多项分析包括能量损失光谱法和STEM成像。

    一个优选实施例包括位于棱镜后方的至少两个检测器,其中一个检测器检测具有处于第一能量范围内的能量的电子,且另一个检测器检测处于第二能量范围内的电子。所述两个检测器的其中之一优选地确定所检测到的电子的能量损失。举例来说,一个优选实施例能够确定对于核心损失电子的能量损失光谱,而且同时提供来自低损失电子的关于样品的附加信息。

    前面相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优点,以便于可以更好地理解随后对于本发明的详细描述。在下文中将描述本发明的附加特征和优点。本领域技术人员应当认识到,所公开的概念和具体实施例可以很容易被用作修改或设计用于实施与本发明相同的目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应当认识到,这样的等效构造不偏离如在所附权利要求书中所阐述的本发明的精神和范围。

    附图说明

    为了更加透彻地理解本发明及其优点,下面将参照结合附图所做的描述,其中:

    图1A示出了任意的电子能量损失光谱,其处于所述能谱的低损失区域内。图1B示出了任意的电子能量损失光谱,其处于所述能谱的核心损失区域内。

    图2A示出了可以执行暗视场STEM检测和EELS的扫描透射电子显微镜。图2B示出了可以执行暗视场STEM检测和EELS的另一种现有技术检测器。

    图3示意性地示出了可以执行亮视场STEM检测和EELS的本发明的第一实施例。

    图4示意性地示出了可以执行亮视场STEM检测和EELS的本发明的第二实施例。

    图5示出了本发明的一个实施例,其中检测器被附着到能量选择狭缝的一侧。

    图6示出了本发明的一个实施例,其中能量选择狭缝的一侧被用作检测器。

    图7示意性地示出了可以执行暗视场STEM检测、对核心损失电子的亮视场STEM检测以及EELS的一个实施例。

    具体实施方式

    本发明的实施例提供用以检测穿过样品的电子的多个检测器。所述检测器优选地在电子穿过一个或多个棱镜之后检测所述电子,其中所述一个或多个棱镜根据电子的能量分离电子。随后由不同检测器检测处于不同能量范围内的电子,其中优选地至少其中一个检测器测量所述电子在穿过样品时所损失的能量。

    某些实施例检测亮视场低能量损失电子作为对亮视场电子的代替,从而允许与EELS同时提供亮视场STEM信息。这样的实施例缩短了收集关于样品的信息所需的时间并且减少了剂量,即碰撞在样品上并且可能对其造成潜在损坏的电子的总数。举例来说,用户可以利用亮视场STEM模式快速扫描样本以便获得在暗视场STEM中通常无法得到的关于应变的信息(或者更一般来说是结晶信息),而且同时观测EELS光谱以便检查某种原子元素的存在。

    所述STEM检测器优选地被放置在能量分散平面内或其附近。当所述显微镜包括能量选择狭缝时,所述能量选择狭缝通常也被放置在所述能量分散平面内或其附近,并且所述STEM检测器优选地被放置在所述能量选择狭缝前方。所述狭缝自身在某些实施例中可以被用作检测器。调节所述棱镜以便确定所述光谱的哪一部分进入成像光学元件,以及所述光谱的哪一部分碰撞在成像光学元件前方的STEM检测器上。举例来说,可以调节所述棱镜从而使得低损失区域内的电子碰撞在其位置偏离光轴并且处于成像光学元件前方的STEM检测器上,而且使得核心损失区域的部分内的电子进入所述能量选择狭缝。这种调节可以同时提供亮视场STEM数据和核心损失EELS数据?;蛘?,可以调节所述棱镜从而使得低损失区域内的电子进入成像光学元件,而且使得核心损失区域内的电子碰撞在STEM检测器上。在该实施例中,所述STEM检测器的位置处于成像光学元件前方,并且与用来检测所述光谱的低损失区域内的电子的STEM检测器相比在光轴的相对侧上被偏置。这种调节可以同时提供核心损失亮视场STEM数据和低损失EELS数据。

    通过改变对棱镜的激发,例如通过改变磁性棱镜中的电流或者静电棱镜上的电压,可以很容易调节沿其轴离开所述棱镜的电子的能量??梢允沟盟鯯TEM检测器在能量分散方向上足够长以便检测所期望的能量范围,并且可以将其定位成检测所期望的能量值。

    图3示出了一种优选的透射电子显微镜300,其包括电子源302和聚焦镜筒304,所述聚焦镜筒304将来自源302的电子聚焦到一个小的光点,并且将该光点扫描过薄样品306。所述电子通常被加速至50keV和1000keV之间的能量。穿过样品306的大多数电子进入投射电子光学元件308。投射电子光学元件308放大样品的电子图像。在本发明的一个优选实施例中,投射电子光学元件308被调节成将暗视场电子312导向可选的暗视场检测器318,并且使得亮视场电子310进入分散电子光学元件,即棱镜322。该棱镜将所述亮视场电子分离成由检测器334记录的核心损失亮视场电子350和由检测器340记录的低损失亮视场电子352。在现有技术中,构成出离样品306的信号的主要部分的低损失亮视场电子352在EELS期间没有被检测到。

    所述系统的收集角度(即仍将检测到被样品散射的电子的最大角度)由棱镜322的入射孔径324的尺寸和位置以及投射光学元件308中的透镜的设定确定。

    可选的能量选择狭缝328包括位于能量分散平面329处或其附近的上刀刃328U和下刀刃328L??梢缘鹘谒龅度兄涞募湎?,以便令不同的电子能量范围穿过?;箍梢允栈厮龅度?,从而使其完全不会阻挡束。穿过能量选择狭缝328的电子330被成像电子光学元件332投射到检测器334上,所述检测器334比如是胶片、荧光屏、CCD检测器或者记录所述光谱的有源像素传感器。STEM检测器340被定位在能量选择狭缝328前方并且连接到放大器342。

    检测器340的上边缘被定位为略低于处在其完全打开位置处的下刀刃328L的顶部。其低于下刀刃328L的顶部的精确距离并不十分重要,并且由实际制造考虑因素确定。举例来说,可以在不特别费事的情况下很容易制造具有定位为低大约0.4mm的检测器的系统。检测器340优选地具有5mm和10mm之间的垂直长度。在某些实施例中,检测器340的位置是可调节的,也就是说可以上下移动所述检测器340,从而使其受到具有不同能量的电子的撞击。例如可以在调节下刀刃328L的位置时移动检测器340。检测器340被定位于所述下刀刃下方的距离以及检测器340的长度确定该检测器340所能收集的电子的能量。其尺寸并不十分重要,只要所述检测器被定位成收集由所述棱镜偏转的电子并且所述检测器足够长以便收集具有处于所期望的能量范围内的能量的电子。

    在一个优选实施例中,调节棱镜322从而对于300keV电子导致能量分散平面329处的大约4μm/eV的分散,并且导致具有大约550eV的能量损失的电子350沿其轴出离所述棱镜。于是零损失和低损失电子352将被定位在光谱仪轴下方大约2.2mm和1.8mm之间,并且如果所述狭缝开口的完全宽度是2.8mm的话,则被定位在下刀刃328L的边缘下方大约0.4mm和0.8mm之间并且将由检测器340收集。图表354示出了在棱镜322出口的不同垂直位置处离开所述棱镜322的电子的能量损失。虚线将电子轨迹连接到图表354。这里描述的尺寸是为了提供一个例子而不是限制本发明;不同的实现方式将使用不同的尺寸。

    如前所述,光谱仪可以在两种模式下被使用。在光谱模式下,允许相对较宽的能量范围上的电子穿过狭缝328,并且成像电子光学元件332在检测器334的平面处形成所述狭缝平面的图像以产生光谱。在能量滤波成像模式下,所述能量选择狭缝选择一个小的电子能量范围,比如10eV或20eV宽的范围,并且成像电子光学元件332利用所述窄能量范围内的电子在所述检测器平面处形成所述棱镜的入射平面的图像。所述光谱仪的入射平面处的图像(并且从而还有所述检测器处的图像)可以是样品的图像,或者可以是衍射图样,这取决于投射光学元件308的设定。在一个光谱模式实施例中,能量选择狭缝328被调节到令具有大约100eV和大约1000eV之间的能量损失的电子穿过的宽度。这些电子由成像电子光学元件332投射到检测器334上。具有大于约1000eV的能量损失的电子356将碰撞在上刀刃328U上并且将不被检测到。因此,检测器334将测量具有100eV和1000eV之间的能量损失的“核心损失”电子的能量损失,而且检测器340将检测处于零损失峰值中的电子和其他低损失电子的数目。

    取决于将要观察的光谱部分,通常对棱镜进行调谐以便使得感兴趣的能量区域的中心沿着棱镜轴出离所述棱镜??梢缘鹘诔上竦缱庸庋г?32的放大率以便在检测器334上提供有限能量范围的高能量分辨率图像,或者在较宽能量范围上提供较低分辨率。举例来说,可以调节所述棱镜从而使得具有500eV的能量损失的电子沿轴出离,并且所述能量选择狭缝可以令具有495eV和505eV之间的能量的电子穿过,随后由光学元件332放大图像以便在该有限范围内提供高分辨率光谱?;蛘?,可以打开所述能量选择狭缝以便令具有100eV和1000eV之间的能量损失的电子穿过,随后由光学元件332放大图像以便在该宽范围内提供低分辨率光谱。

    在对棱镜进行调谐时,零损失峰值的位置将发生改变。检测器340优选地足够长以便在宽的棱镜调谐范围内检测零损失峰值,也就是说在棱镜出口处与棱镜轴对准的宽能量范围内并且在宽分散下检测所述零损失峰值。举例来说,当对棱镜进行调谐以便在能量选择狭缝328的平面处提供4μm/eV的分散时,长度为10mm的检测器340可以检测2500eV的能量范围内的电子,从而允许在较大范围内调节棱镜轴处的束能量,同时仍然在检测器340上检测零损失峰值?;箍梢缘鹘谒黾觳馄鞯奈恢?,从而使其拦截所期望的能量范围内的电子。

    因此,透射电子显微镜300可以同时收集来自可选检测器318的暗视场STEM信息、来自检测器340的亮视场STEM信息以及来自检测器334的EELS信息。来自检测器340的低损失区域内的电子的数据类似于可以从亮视场STEM获得的数据,并且可以按照类似的方式来解释。举例来说,所述低损失峰值信号可以被用来快速扫描样本以获得结晶信息(比如应变信息),而且同时观测核心损失电子的EELS光谱以确定特定元素的存在。

    图4示出了使用镜筒内光谱仪的扫描透射显微镜400的一个替换实施例。扫描透射显微镜400包括电子源302和聚焦镜筒304,所述聚焦镜筒304把由电子源302提供的电子聚焦并扫描到样品306上。投射电子光学元件308优选地将来自样品306的暗视场电子312导向可选的暗视场检测器318并且把亮视场电子310引导到包括欧米茄滤光器的棱镜412中,所述欧米茄滤光器包括412A、412B、412C和412D各段。棱镜412在位于段412D与成像光学元件424之间的能量分散平面414中分散来自样品306的电子。调节棱镜412,从而使得低损失电子将偏离轴离开棱镜段412D,并且可以被位于所述能量分散平面414处或其附近的亮视场STEM检测器420检测到。核心损失电子将穿过可选的能量选择狭缝418并且进入成像光学元件424,所述成像光学元件424在检测器426上形成图像,所述图像是能量分散平面414的图像或者是棱镜入射平面的图像。对棱镜412的调节类似于前面关于图3中的镜筒后滤光器所描述的调节??刂圃谄渲嵘铣隼氲牡缱拥哪芰亢偷缱臃稚⒌睦饩?12的激发可以被调节以便确定碰撞在亮视场STEM检测器420上的电子的能量范围以及将继续穿过成像光学元件424并被用于EELS的电子能量范围。

    图5示出了扫描透射电子显微镜500的一个替换实施例,其中检测器502被附着到能量选择狭缝528的下刀刃528L。在其他方面,扫描透射电子显微镜500类似于图3的扫描透射电子显微镜300。图6示出了扫描透射电子显微镜600的一个替换实施例,其中能量选择狭缝628的下刀刃628L被用作第二检测器并且连接到放大器。对于许多应用来说,将所述刀刃用作金属电极以进行检测可能无法足够快地提供数据。

    图7示出了扫描透射电子显微镜700的一个替换实施例,其中检测器702被附着到能量选择狭缝728的上能量狭缝728U。调节棱镜322从而使得处于所述零损失峰值中的电子710恰好在下刀刃728L上方穿过并且进入成像光学元件332。具有靠近低损失光谱区域中心的能量的电子712沿着棱镜322的轴出离。因此,零损失和低损失电子将被成像电子光学元件332投射到检测器334上。具有更高能量损失的电子将在所述狭缝开口上方撞击检测器702,以便提供与零损失或低损失STEM信号类似的核心损失电子STEM信号。举例来说,具有小于100eV的能量损失的电子可以穿过能量选择狭缝728,而具有大于100eV的能量损失的电子则在所述狭缝上方穿过并且被检测器702检测到。检测器702也可以像图3中所示的检测器340那样被定位在所述刀刃前方。检测器702也可以被去除;刀刃728U可以被用作检测器并且连接到放大器220??梢园芽裳〉募觳馄?02附着到下刀刃728L,从而可以调节棱镜322以便对核心损失电子执行EELS并且对低损失电子进行STEM检测,正如前面关于图4所描述的那样。

    同时使用亮视场STEM和EELS可以在更短时间量内向用户提供样品分析结果。通过组合各项分析,可以利用样品对于高能电子束的较少曝光获得相同的信息。

    由前面的实施例中所描述的各个检测器检测到的电子能量范围是示例性的,并且可以根据应用和将要收集的信息而改变。

    在前面的实施例中所使用的STEM检测器还可以是对位置敏感的检测器。由于电子在棱镜后方的位置取决于所述电子的能量,因此除了从位于成像光学元件332后方的检测器提供的光谱信息之外,提供位置信息(这例如通过划分成多个分段、条带或像素而实现)的检测器也可以提供光谱信息。在某一实施例中,可以调节STEM检测器的位置并且可以将其移动到任何所期望的位置以检测任何光谱部分。

    一个优选实施例包括:高能电子源;电子聚焦镜筒,其用于把来自所述高能电子源的电子聚焦成束并且将其扫描过样品;分散设备,其用于分散已穿过样品的具有不同能量的电子;第一电子检测器;用于把穿过狭缝的电子投射到第一检测器上的电子光学元件;用于检测电子的第二检测器,其中第一电子检测器通过记录多个点处的电子强度来记录图像或光谱;随着所述电子聚焦镜筒将所述高能电子束扫描过样品,第二检测器快速记录区域上的电子强度改变;第二检测器被定位在能量分散平面内;并且第二检测器不会阻挡电子进入第一检测器。

    根据本发明的某些实施例,第一检测器是摄影机,比如CCD摄影机或有源像素传感器摄影机;并且第二检测器是STEM检测器。

    根据本发明的某些实施例,所述分散设备将所述束分离成第一能量范围和第二能量范围;第一检测器检测处于第一能量范围内的电子;且第二检测器检测处于第二能量范围内的电子。

    虽然已经详细描述了本发明及其优点,但是应当理解的是,在不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下可以对这里所描述的实施例做出各种改变、替换和更改。此外,本申请的范围不意图限于在说明书中描述的处理、机器、制造、物质成分、措施、方法和步骤的具体实施例。本领域普通技术人员可以很容易从本发明的公开内容认识到,根据本发明可以利用执行与这里描述的相应实施例基本上相同的功能或者实现基本上相同的结果的现在存在的或以后将开发的处理、机器、制造、物质成分、措施、方法或步骤。相应地,所附权利要求书意图在其范围内包括这样的处理、机器、制造、物质成分、措施、方法或步骤。

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