一种扫描电子束成像设备及成像方法

技术领域

本发明涉及扫描电子束成像设备领域，具体涉及一种扫描电子束成像设备及成像方法。

背景技术

如附图1所示的是一种电子束成像设备中所用的基于样品负压偏置的拒斥场物镜系统，拒斥场物镜系统的磁透镜部分通常包括环形线圈和包裹环形线圈的环形软磁结构部件。环形线圈在电流激励下产生磁场，环形软磁结构部件存在一个与线圈同轴的环形缝隙，构成磁路两级，成为极靴；环形线圈所产生的磁场在大部分区域都被限定包含在软磁体内，但在缝隙处会外泄扩展到轴附近区域，对沿轴穿过的电子束产生轴向的电磁力，如附图2所示；调整环形线圈的电流激励强度，可以使电子束在样品表面聚焦。

为了保证电子束成像对样品不造成损伤，同时还要保证较高成像分辨率及大视场成像，则需要对传统的电子显微镜的物镜进行针对性的优化设计，一方面不要对样品台或样品的偏压提出太高的要求，降低工程难度，另一方面还要确保电子束成像的有较高的分辨率（图像中心解析度）和视场（图像边缘解析度）。

现有技术一：低能扫描电子显微镜系统、扫描电子显微镜系统及样品探测方法（授权公告号：CN109300759B），在传统拒斥场物镜的基础上，在样品和磁透镜间，引入了附加电极，其上施加可变的电压，对样品表面的场进行控制；也可以将此电极和静电偏转器结合起来，构成第三偏转器，与物镜形成所谓的可变轴物镜，对偏转像差进行补偿，提高视场。这是行业里提高视场的方法之一。为了解决电子束加速电压及样品台偏压过高的问题，该专利又借鉴了传统的提压透镜的设计，即在镜筒内几乎电子束的全程的路径上，设计有静电提压电极筒。此设计带来的问题是在电子束全路径上的电子光学器件都必须悬浮在高压上，实现相应的激励和驱动，具有一定工程难度。

现有技术二：可进行高分辨率、高对比度观察的带电粒子束装置（授权公告号：US9159533B2），相对于前述的对电子束实行全程提压的提压电极筒方案，现有技术二为半程提压设计，此方案的提压电极筒和磁极合二为一，通过将传统浸没物镜的包裹线圈的内极靴做了分段及电性隔离，在原有磁回路缝隙的基础上又增加了一个磁回路缝隙。同时隔离出的磁极上施加正电压，用作磁极的同时由兼作提压极，提压只在镜筒后半程的一小段范围内实现。此方案可以采用较低加速电压电子源发射，再经过物镜端的提压电极提速，电子束的减速由提压透镜的半段减速场和样品台偏压所产生的拒斥场共同分担，对样品台的耐压要求大大降低。

但如附图3所示，现有技术二中，由于多引入了一个缝隙，在产生主透镜场的同时还形成了一个寄生磁透镜，寄生磁透镜与主透镜是由同一线圈激励的，相互间紧密耦合，无法实现独立控制；尽管仍然可以配合聚光镜的激励模式来获得最佳的轴上光斑，但寄生磁透镜会对穿过的电子束施加旋转作用，会使得电子束在偏转器系统偏离最佳的状况，造成偏转像差随偏转激励急剧增大，成像的视场，或图像边缘分辨率产生明显的影响。

另外，现有技术一和现有技术二主要针对低能电子束成像应用，一旦电子束能量提高，浸没物镜的超短工作距离无法支持足够大的激励电流来实现聚焦，导致需要另外成像设备来完成高能电子束成像。

发明内容

本发明的目的是提供一种扫描电子束成像设备及成像方法，将现有技术中存在的寄生磁透镜变成可独立控制的第一磁透镜，由独立的第一环形线圈激励，通过调整第一环形线圈的激励，包括电流方向，可以优化轴上电子束进入第二磁透镜的物方光阑角度，改善像差，主要是球差、色差和衍射像差，获得最小的轴上光斑；同时也可优化电子束离轴偏转的旋转轨迹，最大化的的降低偏转慧差和偏转色差，以提高成像视场。另外第一磁透镜或第二磁透镜可以选择性的加强或减弱，满足不同电子束能量情况下成像对物镜工作模式切换的要求。

为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种扫描电子束成像设备，包括：

电子源，用于发射主电子束；

加速极，用于增加所述主电子束的运动速度；

至少一个聚光镜，用于汇聚调整主电子束的束张角；

至少一个限制膜孔，用于限制杂散电子和束流；

物镜，用于将入射的主电子束聚焦在样品表面，所述物镜包括第一环形线圈和第二环形线圈，所述第一环形线圈和第二环形线圈为同心轴结构，且所述第一环形线圈和第二环形线圈分别电性连接用于提供恒压或恒流驱动的聚焦电源，所述第一环形线圈和第二环形线圈由环状软磁结构非闭合包裹，形成漏磁回路上的三个极靴；

样品台，用于承载提供成像目标的样品并提供X、Y、Z方向的定位功能；

至少一个偏转器，与光轴同轴，位于聚光镜和样品之间，用于实现聚焦主电子束在样品表面的光栅扫描；

至少一个探测器，用于收集主电子束轰击样品表面所激发出的信号电子，信号电子包括二次电子和背散射电子。

优选的，三个极靴分别为上极靴、中极靴和下极靴，上极靴和中极靴之间的漏磁由第一环形线圈提供，下极靴和中极靴之间的漏磁由第二环形线圈提供。

优选的，探测器包括位于聚光镜下方的第一探测器，位于物镜上方的第二探测器，位于中极靴处的第三探测器中的一个或多个，用于更全面的收集信号电子。

优选的，中极靴向轴方向外延出一段金属电极，其间留有用于维持与中极靴绝缘的绝缘空隙或材料，所述金属电极上施加正高压，用于对主电子束进行提速，构成提压电极或提压透镜。

优选的，金属电极为软磁材料，用于将第一环形线圈和第二环形线圈产生的透镜磁场进一步引向近轴方向和样品表面。

第二方面，本发明提供一种扫描电子束成像方法，包括如下步骤：

S1.上极靴与中极靴之间的漏磁形成第一磁透镜，中极靴与下极靴之间的漏磁形成第二磁透镜，在中极靴或金属电极上施加高压或与上下极靴不同的电压时，第一磁透镜相同位置处形成第一电透镜，第二磁透镜相同位置处形成第二电透镜，第二磁透镜和第二电透镜对于样品构成电磁复合的浸没透镜；

S2.基于步骤S1，电子源发射的主电子束经过加速极增加运动速度后，再依次经过聚光镜、限制膜孔、物镜及偏转器改变运动方向后作用于样品台上的样品上，产生信号电子，所述物镜包括第一磁透镜、第一电透镜、第二磁透镜、第二电透镜；

S3.基于步骤S2，分别独立控制第一环形线圈和第二环形线圈的电流激励，得到第一环形线圈的第一轴上磁场B1(z)和第二环形线圈（242）的第二轴上磁场B2(z)；

S4.维持第一环形线圈和第二环形线圈的电流激励强度和比例，得到复合轴上磁场B(z)=K1*B1(z)+K2*B2(z)

其中，B(z)为复合轴上磁场，K1为第一环形线圈轴上磁场比例，K2为第二环形线圈轴上磁场比例；

S5.基于步骤S4，改变K1和K2，组合得到任意轴上磁场分布的透镜场。

优选的，第一轴上磁场与第二轴上磁场同时存在且第一轴上磁场与第二轴上磁场反向。

优选的，第一轴上磁场与第二轴上磁场同时存在且第一轴上磁场与第二轴上磁场同向。

优选的，第一轴上磁场被抵消，只剩下第二轴上磁场。

优选的，第二轴上磁场被抵消，只剩下第一轴上磁场。

本发明的有益效果是：

1）将现有技术中存在的寄生磁透镜，即第一磁透镜，变成可独立控制的辅助磁透镜，通过调整辅助磁透镜的激励，包括激励电流方向，可以优化轴上电子束进入主物镜的物方光阑角度，主要是球差、色差和衍射像差，获得最小的轴上光斑；同时也可优化电子束离轴偏转的旋转轨迹，极大的降低偏转慧差和偏转色差，以提高成像视场。

2）本设备存在两组主要激励模式，当第一轴上磁场消失时为低能模式，用于提供低电子束能量，短工作距离场景下的样品成像；当第二轴上磁场消失时为高能模式，用于提供高电子束能量，长工作距离场景下的样品成像。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术中基于样品负压偏置的拒斥场物镜系统示意图；

图2是图1中现有物镜的轴上磁场分布示意图；

图3是现有技术二中物镜的轴上磁场分布示意图；

图4是本发明设备示意图；

图5是本发明单线圈单位激励情况下的第一轴上磁场B1(z)和第二轴上磁场B2(z)分布示意图；

图6为本发明任意轴上磁场分布情况示意图；

图中的标记：100为电子源，101为主电子束，102为信号电子，110为加速极，205为偏转器，210为聚光镜，215为第一磁透镜，216为第二磁透镜，220为限制膜孔，230为wien过滤器，240为物镜，241为第一环形线圈，242为第二环形线圈，243为金属电极，301为第一探测器，302为第二探测器，303为第三探测器，401为样品台。

具体实施方式

实施例1

如图4所示，本发明提供了一种扫描电子束成像设备，在本实施例1中，包括：

电子源100，用于发射主电子束101。

加速极110，用于增加所述主电子束101的运动速度。

至少一个聚光镜210，用于汇聚调整主电子束101的束张角。

至少一个限制膜孔220，用于限制杂散电子和束流。

物镜240，用于将入射的主电子束101聚焦在样品表面，物镜240包括第一环形线圈241和第二环形线圈242，第一环形线圈241和第二环形线圈242为同心轴结构，且第一环形线圈241和第二环形线圈242分别电性连接用于提供恒压或恒流驱动的聚焦电源，第一环形线圈241和第二环形线圈242由环状软磁结构非闭合包裹，形成漏磁回路上的三个极靴；

三个极靴分别为上极靴、中极靴和下极靴，上极靴和中极靴之间的漏磁由第一环形线圈241提供，下极靴和中极靴之间的漏磁由第二环形线圈242提供，其中，中极靴像轴方向外延处一段金属电极243，其间留有用于维持与中极靴绝缘的绝缘空隙或材料，其上施加正高压，用于作为对主电子束101进行提速的提压级；金属电极243还可选用软磁材料金属，用于将第一环形线圈241和第二环形线圈242产生的透镜磁场进一步引向近轴方向和样品表面，构成浸没磁透镜物镜。

样品台401，用于承载提供成像目标的样品并提供X、Y、Z方向的定位功能，样品台401上施加高压，与物镜240一起在样品表面构成拒斥场复合物镜。

至少一个偏转器205，与光轴同轴，位于聚光镜210和样品之间，用于实现聚焦主电子束101在样品台401表面的光栅扫描。

至少一个探测器，用于收集主电子束101轰击样品表面所激发出的信号电102，探测器包括位于聚光镜210下方的第一探测器301，位于物镜240上方的第二探测器302，位于中极靴处的第三探测器303中的一个或多个，用于更全面的收集信号电子。

还包括wien过滤器230，位于聚光镜210与物镜240之间，用于将主电子束101光轴附近的信号电子102偏离光轴一侧，以利于信号电子被轴外的探测器检测。

实施例2

本发明提供一种扫描电子束成像方法，包括如下步骤：

S1.上极靴与中极靴之间的漏磁形成第一磁透镜215，中极靴与下极靴之间的漏磁形成第二磁透镜216，在提压级上施加高压或与上下极靴不同的电压时，第一磁透镜215相同位置处形成第一电透镜，第二磁透镜216相同位置处形成第二电透镜，第二磁透镜216和第二电透镜对于样品构成电磁复合的浸没透镜。

S2.基于步骤S1，电子源100发射的主电子束101经过加速极110增加运动速度后，再依次经过聚光镜210、限制膜孔220、物镜240及偏转器改变运动方向后作用于样品台401上的样品上，产生信号电子102。

S3.基于步骤S2，分别独立控制第一环形线圈241和第二环形线圈242的电流激励，如图5所示，得到第一环形线圈241的第一轴上磁场B1(z)和第二环形线圈242的第二轴上磁场B2(z)。

S4.维持第一环形线圈241和第二环形线圈242的电流激励强度和比例，得到复合轴上磁场B(z)=K1*B1(z)+K2*B2(z)

其中，B(z)为复合轴上磁场，K1为第一环形线圈241轴上磁场比例，K2为第二环形线圈242轴上磁场比例。

S5.基于步骤S4，改变K1和K2，组合得到任意轴上磁场分布的透镜场。

实施例3

在实施例2的基础上，本发明提供一种扫描电子束成像方法，具体方法为：调整第一环形线圈241和第二环形线圈242的电流激励方向和强度，使第一轴上磁场与第二轴上磁场同时存在且第一轴上磁场与第二轴上磁场反向，如图6（A）所示。

在此实施例3中，扫描电子束成像检测设备上配置有双偏转器，且双偏转器均位于第一磁透镜215上方，使主电子束101在进入第一磁透镜215区域前，已经受到双偏转器的径向偏转力作用，远远的离开了光轴，在进入第一磁透镜215区域后，主电子束101在运动方向上切割第一磁透镜215的磁力线，会产生沿运动方向垂直方向的力，导致电子束绕轴旋转，偏离既定的偏转平面进入第二磁透镜216透镜场区域。另外，主电子束101旋转角度随电子束能量变化，使得改变主电子束101能量时，主电子束101进入第二磁透镜216透镜场的角度也发生改变。

本实施例3的其他方法步骤均与实施例2相同。

实施例4

在实施例3的基础上，本发明提供一种扫描电子束成像方法，具体方法为：调整第一环形线圈241和第二环形线圈242的电流激励方向和强度，使第一轴上磁场与第二轴上磁场同时存在且第一轴上磁场与第二轴上磁场同向，如图6（B）所示。

在此实施例4中，在不改变最佳偏转配置的前提下，改变第一环形线圈241和第二环形线圈242的电流激励方向和强度，使其中某个磁透镜的轴上磁场方向，则此时第一轴上磁场与第二轴上磁场同向，调整电子束的旋转角度，使其进入第二磁透镜216透镜场区域时的入射角度不变，以保证最小的偏转像差和最大的偏转视场。

本实施例4的其他方法步骤与实施例3相同。

实施例5

在实施例3的基础上，本发明提供一种扫描电子束成像方法，具体方法为：调整第一环形线圈241和第二环形线圈242的电流激励方向和强度，使第一轴上磁场被抵消，只剩下第二轴上磁场，如图6（C）所示。

电子束在双偏转器的作用下，即使在轴外经过第一磁透镜215区域，也一直在无场区域，不会受到磁场力的作用而发生相对于轴的旋转；而且即使电子束能量改变，电子束进入透镜的入射平面也保持不变，偏转系统的配置也基本维持在最优状态，在本实施例5中，样品浸没在第二磁透镜216的磁场和第二电透镜的电场中，提供了低能电子束的大视场成像，可用于低能场景下的电子束成像检测。

本实施例5的其他方法步骤与实施例3相同。

实施例6

在实施例3的基础上，本发明提供一种扫描电子束成像方法，具体方法为：调整第一环形线圈241和第二环形线圈242的电流激励方向和强度，使第二轴上磁场被抵消，只剩下第一轴上磁场，如图6（D）所示。

在本实施例6中，第一磁透镜215为设备唯一透镜，用于实现电子束的聚焦，双偏转器可进行优化设置，使其对穿过电子束并在样品表面进行成像扫描。由于第一磁透镜215远离样品，像方焦距相对于图6（C）的情况会大为增加，对于低能电子束的成像像差或图像质量会有负面影响，但相对于高能电子束，一般为大于5keV的电子束，仍会具有较高的分辨力，本实施例6适用于高能的电子束成像检测。

本实施例6可与实施例5集成至一台设备中进行切换实现。

本实施例6的其他方法步骤与实施例3相同。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。